Universidad Central “Marta Abreu” Las Villas Facultad de

Universidad Central “Marta Abreu” Las Villas

Facultad de Construcciones

Carrera Ingeniería Civil

Trabajo de Diploma

Título:

Comportamiento de las presas de tierra: Caso de

Estudio Embalse “Alacranes”

Tutor: Dr. C. Lamberto Álvarez Gil

Cotutor: Ing. Tayruma Armenteros Ordoñes

Diplomante: Lisvany Fernández Rivero

–Santa Clara 2010–

……““PPuueeddeenn aallgguunnooss eennvviiddiiaarr oottrraass ggrraannddeezzaass.. PPaarraa mmíí ssóólloo eessaauuttéénnttiiccaa ggrraannddeezzaa llaa ddeell ddeessttiinnoo ccuummpplliiddoo,, llaa eexxiisstteenncciiaa úúttiill,, llaa

oobbrraa tteerrmmiinnaaddaa.. QQuuee nnaaddiiee,, ccoonn vveerrddaaddeerraa ttaallllaa ddee hhoommbbrree ppuueeddaaddeessccaannssaarr eenn ppaazz,, ssiinn hhaabbeerr ddiicchhoo lloo qquuee tteennííaa qquuee ddeecciirr,, ssiinn hhaabbeerr

aappoorrttaaddoo llaa ccoommpprroobbaacciióónn ddee uunnaa vveerrddaadd ppoorr ppeeqquueeññaa qquuee ffuueerraa……””AAlleejjoo CCaarrppeennttiieerr

AA mmiiss ppaaddrreess,, hheerrmmaannooss,, aabbuueellooss yy ttííooss::ttaannttoo ccaarriiññoo mmee hhaa eedduuccaaddoo,, ppaarraa hhaacceerrmmee uunn hhoommbbrree ddee bbiieenn.. AA eellllooss qquuee

lleess ddeebboo ccuuaannttoo hhee llooggrraaddoo

AA mmii ffaammiilliiaa::MMuucchhooss ssoonn llooss nnoommbbrreess,, ppeerroo aa ttooddooss lleess qquuiieerroo,, ggrraacciiaass ppoorr aayyuuddaarrmmee ccoonnmmiiss pprroobblleemmaass yy ssaaccaarrmmee ddee aappuurrooss ccaaddaa vveezz qquuee nneecceessiittaabbaa aallggoo.. LLooss aaddoorroo..

AA mmiiss ttuuttoorreess:: LLaammbbeerrttoo AAllvvaarreezz GGiill yy MMiicchhaaeell ÁÁllvvaarreezz GGoonnzzáálleezz::PPoorr ddaarrmmee ttooddoo ssuu aappooyyoo iinnccoonnddiicciioonnaall ppaarraa qquuee yyoo ppuuddiieerraa rreeaalliizzaarr eessttee

ttrraabbaajjoo,, ppoorr ccoonnffiiaarr eenn ttooddoo mmoommeennttoo eenn mmíí,, ppoorr sseerr eejjeemmpplloo ddee pprrooffeessiioonnaall..

AA ttooddooss mmiiss aammiiggooss ddee llaa ffaaccuullttaadd::IIvváánn,, JJuulliioo,, CCeeppeeddaa,, TTiiccoo,, OOssccaarr,, DDaarriieell,, GGuuiilllleerrmmoo,, CCaarrllooss MM..,, CCaarrllooss YY..,,

BBeettaanniiaa,, CCaammiilloo,, OOddeeiimmiiss,, JJoosséé RR..,, ppoorr sseerr bbuueennooss ccoommppaaññeerrooss eenn ttooddoommoommeennttoo..

AA ttooddooss llooss pprrooffeessoorreess::LLuuiiss IIbbááññeezz,, RRoollaannddoo LLiimmaa,, YYooaannddrrii,, DDaassiieell,, TTaayyrruummaa,, LLiissddaanniiss,, AAnniittaa,,

BBaammbbaa,, EElliizzaabbeetthh,, CCrriissttóóbbaall,, qquuee mmee aayyuuddaarroonn eenn eessttaa ttaarreeaa..

AA nnuueessttrraa RReevvoolluucciióónn::PPoorr ddaarrmmee llaa ooppoorrttuunniiddaadd ddee ccuummpplliirr mmii ssuueeññoo:: ffoorrmmaarrmmee ccoommoo iinnggeenniieerroo..

YY aa ttooddoo aaqquueell qquuee iinnccuurrssiioonnóó eenn llaa ccrruuzzaaddaa ddee ccrreeeerr qquuee ppoorr ddiiffíícciill qquuee ffuueesseeeell mmoommeennttoo;; llooss ssuueeññooss ssee ppuueeddeenn hhaacceerr rreeaalliiddaadd..

PPoorr ssuu aappooyyoo iinnccoonnddiicciioonnaall::MMuucchhaass ggrraacciiaass

En esta investigación se realiza un estudio del estado del arte de la temática del

comportamiento y modelación de estructuras partiendo de los conocimientos y experiencias

obtenidas en edificaciones. Se propone su uso en estructuras hidráulicas de presas de

tierra”.

Se da a conocer un breve panorama sobre el funcionamiento, partes, tipos y características

de las estructuras que conforman los objetos de obra de una presa, garantizando una mejor

comprensión a la hora de efectuar los análisis pertinentes.

Se expone la forma de realizar la modelación de este tipo de estructuras utilizando los

métodos numéricos que se implementan a través del programas computación disponibles,

así como las facilidades y bondades que tiene su uso en el análisis y diseño para proyectos

de este tipo de obras, lograr un mejor entendimiento del fenómeno real y obtener soluciones

más acabadas y racionales, permitiendo obtener un Catalogo de patologías personalizado de

la obra objeto de estudio.

Se realiza un análisis de los resultados de la modelación de las diferentes cargas y estados

de carga que solicitan a las estructuras y que permiten conocer la localización de las zonas

de mayores esfuerzos y deformaciones a tener en cuenta a la hora de realizar la

rehabilitación de la Presa Alacranes.

Se confecciona un Catálogo de patologías personalizado a una obra real en este caso el Embalse Alacranes.

Introducción ............................................................................................................................1

Capítulo 1. Caracterización del Estado del Arte sobre las patologías en estructuras hidráulicas.............................................................................................................................10

1.1. Introducción ..................................................................................................................................... 10

1.2 Tipos de Presas ................................................................................................................................ 111.2.1. Partes y componente de las presas de tierra....................................................111.2.2. Fuerzas actuantes sobre las estructuras ..........................................................14

1.3. Problemas de estabilidad en presas de tierra ........................................................................... 16

1.4. Impermeabilidad del embalse. ................................................................................................. 201.4.1 Observación de las filtraciones...........................................................................20

1.5. Ciclo de vida útil de las presas..................................................................................................... 21

1.6. Patologías más frecuentes en obras hidráulicas. Mantenimiento y reconstrucción......... 221.6.1. Patologías más comunes en las presas ............................................................23

1.7. Conceptualización de la modelación por MEF para su aplicación en la intervención de presas de tierra. ...................................................................................................................................... 26

1.7.1. Introducción.........................................................................................................261.7.2. Características del Método de los Elementos Finitos ......................................281.7.3 Antecedentes de la modelación estructural aplicada a obras de ingeniería...291.7.4 Trabajos anteriores relacionados con la modelación de obras hidráulicas....31

1.8. Breve descripción de los programas para la modelación que utilizaremos ....................... 34

Conclusiones parciales del capítulo................................................................................................... 36

Capítulo II. Patologías del Embalse “Alacranes”. Orígenes, causas y Metodología para la intervención ......................................................................................................................38

2.1. El proceso patológico .................................................................................................................... 38

2.2. Caracterización del objeto de estudio: “Alacranes” ................................................................ 402.2.1. Piezometría ......................................................................................................412.2.2. Condiciones Ingeniero Geológicas ...............................................................41

2.3. Identificación de las patologías.................................................................................................... 442.3.1. Patologías detectadas en los diferentes objetos de obra ................................47

Conclusiones parciales del capítulo. ..................................................................................60

Capítulo III. Análisis de los resultados ...............................................................................62

3.1. Modelación de la cortina en la sección de proyecto ................................................................ 623.1.1. Chequeo de los desplazamientos en la sección de proyecto y real de la cortina en la estación 8+50 en la presa Alacranes .....................................................63

3.1.2. Análisis de la red de flujo en la sección de la cortina..................................773.1.3. Chequeo de estabilidad de taludes en la sección de la cortina ......................79Conclusiones parciales del capítulo............................................................................84

Conclusiones ........................................................................................................................85

Recomendaciones ................................................................................................................88

Bibliografía ............................................................................................................................90

Anexos

Catálogo de Patologías

Introducción

1

Introducción

En el diseño, construcción y operación de las presas de tierra se ha prestado una gran

importancia a las consideraciones de durabilidad y falla de las mismas, además se puede

afirmar que se ha establecido la base técnica y científica para definir la seguridad con la cual

deben ser proyectadas y mantener estos embalses durante su vida útil de explotación.

En este contexto tiene gran importancia el tratamiento de los daños, averías y fallas para

definir políticas de mantenimiento, rehabilitación y reconstrucción de las mismas.

En la presente investigación se confecciona un inventario de posibles daños y

recomendaciones para la identificación de patologías y su solución, además se aplican

metodologías existentes para la modelación de los elementos componentes de la estructura

(aliviadero, cortina y toma de agua) en el caso de estudio: Embalse “Alacranes”.

Fundamentos metodológicos del trabajo

o Situación Problemática:

Las presas de tierra constituyen un tipo de obra de ingeniería de gran complejidad e

importancia para la economía de nuestro país, por lo que se hace necesario conocer su

comportamiento durante la explotación.

A partir de los años de servicios que acumula de vida útil, se pueden presentar diferentes

fenómenos, averías o daños que pueden afectar en menor o mayor medida el adecuado

comportamiento de esta obra.

En la actualidad es insuficiente la existencia de estudios patológicos en obras hidráulicas,

fundamentalmente para los principales reservorios dado la importancia económica que

reviste el mantenimiento y conservación en términos de seguridad de diseño y explotación

durante la vida útil del embalse, así como la dependencia económico-social en los planes

estratégicos de desarrollo para el país.

Introducción

2

Es por ello que no existen en las empresas de proyectos y otras entidades relacionadas a la

explotación y mantenimiento de estos recursos hídricos, catálogos personalizados donde se

identifica la patología (causa, origen y solución) en toda su extensión y su posterior

monitoreo en el tiempo.

o Planteamiento del problema:

A partir de la experiencia adquirida en el estudio del comportamiento de presas de tierra y el

análisis de las patologías que se pueden presentar en las obras de ingeniería, ¿Cómo

identificar, caracterizar y dar solución a posibles daños patológicos, averías y problemas

estructurales que están presentes en la obra objeto de estudio a lo largo de su vida útil?

o Interrogantes de la investigación

¿Cuál es el estado actual del conocimiento y los enfoques que han sido utilizados

históricamente en la temática de patologías y modelación de edificaciones y que se pueden

aplicar a estructuras hidráulicas de hormigón armado?

¿Cuáles son las patologías y problemas estructurales en la presa Alacranes? Hacer una

descripción de las mismas, diagnóstico técnico y las soluciones necesarias para garantizar el

correcto funcionamiento de la obra.

¿Cómo pueden utilizarse los programas computacionales actuales para modelar y darle

respuestas al comportamiento de las Presas de Tierra?

o Objeto de estudio:

Se pretende asumir por objeto de estudio, para la presente investigación, el Embalse

“Alacranes” con la identificación de las patologías y problemas estructurales en sus objetos

de obra: Cortina, Toma de agua y Aliviadero.

o Hipótesis:

Aplicando una metodología integral para conocer el comportamiento patológico del complejo

hidráulico sobre la base de los posibles daños existentes, en el régimen de filtraciones a

través de la cortina, registros del sistema de control técnico sobre los desplazamientos

horizontales y deformaciones verticales registrados en la cortina.

Introducción

3

Utilizando programas computacionales que implementa el Método de los Elementos Finitos

(MEF) como herramienta de trabajo para el uso de técnicas de modelación, permitirá

confeccionar un Catálogo de Patologías personalizado para el Embalse “Alacranes”.

Posibilitando una mejor comprensión del fenómeno real, permitiendo obtener soluciones más

acabadas y racionales en la confección de los proyectos de mantenimiento y rehabilitación.

o Objetivo general:

Evaluar el comportamiento de los objetos de obra del Embalse “Alacranes” mediante la

aplicación de una metodología de análisis y diagnóstico que se ajuste a este tipo de obras de

ingeniería, Basada en la modelación de la estructuras hidráulica a través de la aplicación de

las técnicas del cálculo numérico, permitiendo obtener soluciones reales compiladas en un

catálogo personalizado.

o Objetivos específicos:

1. Realizar un estudio de las fuentes bibliográficas disponibles para establecer una

actualización en los temas afines relacionados con el comportamiento de las

estructuras hidráulicas y la modelación, así como la familiarización con los distintos

enfoques históricos que se han presentado en la literatura.

2. Analizar el comportamiento de la obra sobre la base de los posibles daños patológicos

existentes, el régimen de filtraciones a través de la cortina, registros del sistema de

control técnico sobre los desplazamientos horizontales y deformaciones verticales

registrados en la cortina.

3. Confeccionar un Catálogo de Patologías personalizado para el Embalse “Alacranes”.

o Las tareas científicas

1. Recopilación bibliográfica preliminar, definición y elaboración del plan de trabajo.

2. Estudio de las fuentes bibliográficas disponibles y análisis del estado del arte sobre el

comportamiento de las presas de tierra y la modelación en estructuras hidráulicas.

a. Ejemplos de aplicación del programa de computación para la modelación.

Introducción

4

3. Definición de la estructura y redacción del Capítulo1 “Caracterización del Estado del Arte

sobre las patologías en estructuras hidráulicas.

a. Visita a la Presa Alacranes para la ejecución del levantamiento preliminar de

daños, averías, patologías existentes y obtención de los datos reales y

necesarios para modelar sus estructuras.

b. Identificación y caracterización de las patologías presentes en la obra objeto de

estudio para determinar las posibles causas y origen.

c. Elaboración de un catálogo que encierre de forma conjunta: patología,

descripción, diagnóstico e intervención técnica.

d. Selección de las estructuras a modelar y recopilación de datos teóricos para la

modelación. Solución de la modelación frente a las cargas de los casos de

estudios seleccionados.

4. .Redacción del Capítulo 2 “Patologías del Embalse “Alacranes”. Orígenes, causas y

Metodología para la intervención.

a. Valoración del comportamiento integral de los objetos de obra según las

posibles causas identificadas y soluciones propuestas.

5. Redacción del Capítulo 3: “Análisis de los resultados de comportamiento.”

a. Realizar la evaluación y análisis de los resultados de la modelación.

b. Confección del Catálogo de Patologías.

6. Redacción de las conclusiones y recomendaciones del trabajo, anexos y bibliografía.

o Novedad científica:

1. Validar una herramienta de evaluación y análisis del comportamiento de la presa

Alacranes, que permite aprovechar la información registrada durante la explotación de la

obra mediante el sistema de información y control técnico existente en la misma.

Introducción

5

2. Se le da continuidad a los trabajos realizados anteriormente donde se aplican los

conocimientos aprendidos en el transcurso de la carrera para realizar la modelación de

obras hidráulicas por el MEF mediante programas computacionales de las estructuras

hidráulicas que se analizan en el transcurso de esta investigación, definiendo el campo de

aplicación de las herramientas existentes para la determinación de la respuesta de las

estructuras aprovechando las ventajas que implica la realización de proyectos de

ingeniería por estas vías.

o Aportes científicos relevantes:

Mostrar la aplicación de una Metodología para evaluar el comportamiento en presas de tierra,

así como muestra las vías de solución más eficaces para la reparación de los objetos de obra

en la presa Alacranes.

Utilizar técnicas avanzadas de modelación y software de última generación durante la

solución de la modelación de casos de estudio de estructuras hidráulicas frecuentes.

o Valor científico de la investigación:

Se realiza una caracterización del comportamiento integral de una presa de tierra en

explotación, con las referencias de los principales autores que han desarrollado sus

investigaciones en el tema. Definiremos los principales conceptos a tener en cuenta para

realizar los trabajos de conservación y mantenimiento en las estructuras de las presas de

tierra, la forma de proceder, las vías más factibles y las recomendaciones necesarias para

evitar la ocurrencia de daños desde las etapas de diseño y ejecución. Además se realiza un

análisis de sus estructuras componentes para chequear si existe o podrá existir algún

problema estructural de la obra.

o Valor Metodológico de la investigación

1. Se presenta una actualización del estado del arte sobre el comportamiento de las presas

de tierra como un tipo de obra hidráulica de gran importancia. Además se muestra la

aplicación práctica de una metodología para realizar la evaluación del comportamiento de

la Presa Alacranes.

Introducción

6

2. Se utilizan programas computacionales profesionales como herramienta para investigar

las posibles causas de los daños detectados. Finalmente se establecen las

recomendaciones necesarias para la conservación y mantenimiento de las presas.

3. Se agrupan los procedimientos de modelación existentes para la determinación de las

respuestas de las estructuras. De acuerdo a sus campos de aplicación más precisos, se

aplican en la solución de distintos casos de estudio, contribuyendo a la estructuración de

dichas metódicas de modelación de las cargas, de la geometría y del material y el

comportamiento e interrelación de estos factores sobre las estructuras.

o Valor Práctico Ingenieril de la investigación

1. Los profesionales podrán tener una guía que le permita hacer un diagnóstico, evaluación

y propuesta de soluciones a los defectos o deterioros presentes en las estructuras

hidráulicas de presas de tierra. Además los resultados de este trabajo se podrán

incorporar en la enseñanza de la especialidad de Ingeniería Civil.

2. Se exponen criterios técnicos preliminares que permiten desde el punto de vista práctico,

un acercamiento al comportamiento estructural y a la verificación de la estructuración

planteada en la modelación de las estructuras hidráulicas de hormigón armado.

3. Se contribuye a la difusión de los procedimientos existentes para la modelación de las

estructuras frente a la acción de cargas y para obtener la respuesta de las mismas. Se

aplican dichos procedimientos y herramientas de modelación a distintos casos de estudio

que permiten una comprensión más clara de los fenómenos asociados con el

comportamiento de las estructuras. Se contribuye a la comprensión del campo de

aplicación de dichos procedimientos y a la obtención de una respuesta de los modelos

mucho más cercana al comportamiento estructural de los mismos, lo que resulta en

diseños más racionales y seguros.

o Metodología general de investigación

Para dar cumplimiento a los objetivos trazados en la tesis y tomando en cuenta el volumen

de tareas a acometer fue necesario organizar y estructurar el trabajo en varias etapas, las

cuales definen la metodología general de investigación (ver el esquema 1).

Introducción

7

o Esquema metodológico de la investigación

Esquema 1. Representación organizada de la metodología empleada para la confección del

presente Trabajo de Diploma.

Definición del problema de estudio

Recopilación de la bibliografía General

Formación de la Base Teórica General

Planteamiento de la Hipótesis

Definición de objetivos

Definición de las Tareas Científicas

Estudio bibliográfico y análisis del estado del arte de la temática

Diagnóstico de las patologías

Definir origen y causas de las patologías

Intervención técnica y elaboración del catálogo

Conclusiones y Recomendaciones

Introducción

8

o La estructura y orden del trabajo.

Introducción

Capítulo I: Caracterización del Estado del Arte sobre las patologías en

estructuras hidráulicas

Capítulo II Patologías del Embalse “Alacranes”. Orígenes, causas y

Metodología para la intervención

Capítulo III: Análisis de los resultados

Conclusiones

Recomendaciones

Bibliografía

Anexos

o Campo de aplicación:

Este trabajo de investigación es aplicable en todo el país, para satisfacer la necesidad de

conservación y mantenimiento de las estructuras en presas de tierra, a partir de una guía

para la identificación de las patologías, origen, causas e intervenciones a realizar, que en

este caso es aplicado a obras específicas como es la Presa Alacranes, constituyendo un

documento que puede hacerse extensivo para las demás obras hidráulica. Además aplica

una metodología existente para darle solución al diseño de presas de tierra.

o Beneficios de la investigación

La metodología para la modelación de las presas de tierra por el MEF, el diagnóstico de

patologías, su caracterización, modelación de las causas y propuesta de soluciones

constituye una valiosa herramienta de trabajo que puede introducirse en las Empresas de

Aprovechamiento Hidráulico, que tienen a su cargo la explotación, mantenimiento y

conservación de las obras hidráulicas. Además en las Empresas de Investigaciones y

Proyectos Hidráulicos pueden hacer uso de los resultados de este trabajo para considerarlo

en la etapa de diseño de las presas de tierra.

9

Capítulo 1. Caracterización del Estado del Artesobre las patologías en estructuras hidráulicas

10

Capítulo 1. Caracterización del Estado del Arte sobre las patologías en estructuras

hidráulicas

1.1. Introducción

El hombre ha construido embalses desde lo antiguo, pero no ha sido hasta muy

recientemente cuando este tipo de construcciones ha tenido un auge considerable. La

creciente demanda de agua y energía hidroeléctrica, así como las múltiples aplicaciones

adicionales de los embalses ha impulsado considerablemente su construcción. En el mundo

actual, las represas destinadas a producir energía por medio de generadores hidroeléctricos

son las que resaltan más por ser de mayor tamaño.

Estos embalses cada vez más altos y anchos, han permitido almacenar una cantidad cada

vez mayor de agua. Las presas deben ofrecer condiciones de seguridad durante la

construcción y en el transcurso de su operación. Para ello, es importante que exista una

buena coordinación entre el diseño y la construcción para asegurar que se hagan las

correcciones necesarias de manera que las obras se ajusten lo mejor posible a las

condiciones reales de campo.

Las presas, como cualquier otra estructura en particular constan de un proceso productivo

(contención y regulación de agua), requiere un mantenimiento o conservación que le permita

un funcionamiento idóneo, para la correcta explotación dentro de ese proceso productivo.

Además, tienen un riesgo potencial, que nos obliga hoy en día a establecer planes de

mantenimiento para la correcta explotación que decimos, que no es solo un problema de

buen funcionamiento del proceso productivo, sino que está relacionado con la seguridad.

Dada esta relación entre mantenimiento y seguridad, se incluyen en las normas de

explotación un protocolo que regule este mantenimiento reduciendo así los riesgos

considerablemente. En la actualidad se ha acudido en gran medida a la modelación de la

estructura hidráulicas en presas de tierra, ofreciendo grandes ventajas, una de ellas es

incrementa la efectividad de las investigaciones de patologías, la cual investiga los fallos

encontrados en las estructuras hidráulicas, permitiendo la modelación para encontrar las

soluciones más racionales de los problemas estructurales de las presas que a su vez

provoca un ahorro de los recursos disponibles.


11

1.2 Tipos de Presas

Los embalses son estructuras de construcción de mucha utilidad, ya que son usados en

campos como el riego, el aprovechamiento y generación de energía, el control de

inundaciones, la navegación, la pesca, control de sedimentos, y la recreación.

Un embalse o represa es una acumulación artificial de agua que tiene como particularidad

poder ser parcial y/o totalmente vaciado por gravedad o por aspiración. Estos pueden

clasificarse según su origen, de acuerdo con su tamaño, su profundidad, su localización

geográfica (Gutierrez A., 2009).Todo embalse consta de las siguientes estructuras básicas:

la presa, el aliviadero, las obras de toma y la cortina.

1.2.1. Partes y componente de las presas de tierra

Las Presas de Tierra son una de las estructuras ingenieriles más importantes, tanto por sus

complejidades técnicas, como por las inversiones que requieren y los beneficios que reportan

a la sociedad, es también una de las obras de ingeniería donde la Mecánica de Suelos deja

sentir más su influencia.

Una presa es una construcción que tiene por objeto contener el agua de un cauce natural

con dos fines, alternativos o simultáneos, según los casos:

Elevar su nivel para que pueda derivarse por una conducción (creación de altura).

Formar un depósito que, al retener los excedentes, permita suministrar el líquido en

los momentos de escasez (creación de embalse).

En general, en cuanto una presa tiene una cierta altura, existe un efecto de embalse, que

suele ser predominante. De esto resulta que la función mecánica esencial de una presa es

elevar el nivel natural del río. De ahí se deduce que la sobrecarga fundamental de la

estructura será el empuje del agua, y este empuje determina su concepto resistente. Junto

con ese objetivo esencial, hay que cumplir otro secundario y accidental que, a pesar de ello,

es importantísimo y condiciona el concepto estructural. Esa necesidad funcional es la

evacuación del agua sobrante.


12

La cortina se corresponde con el terraplén de materiales locales que se construye en el valle

del río para represar sus aguas y su geometría queda definida por taludes y bermas en su

sección transversal (Gutierrez A., 2009).

La toma de agua es un objeto de obra de hormigón armado formado por una galería por

debajo del terraplén, muros y losa de fondo para la estructura de entrada y salida y la torre

de control donde se ubican los mecanismos que regulan la entrada del agua. Sus funciones

básicas son, por un lado garantizar la estabilidad de toda la construcción, soportando un

empuje hidrostático del agua muy fuerte, y por otro no permitir la filtración del agua hacia

abajo (Gutierrez A., 2009).

El aliviadero o vertedero es un objeto de obra de hormigón armado formado por un vertedor

(muro de gravedad), muros de contención, losas de fondo y vigas en las estructuras de

entrada y salida según los tipos de aliviadero. Es la estructura hidráulica por la que rebosa el

agua excedentaria cuando la presa ya esta llena (Gutierrez A., 2009).

Los vertederos también tienen su forma de clasificación. El proyecto estructural de un

vertedor y la selección de los detalles estructurales específicos siguen a la determinación del

tipo de vertedor y a la disposición de los componentes y a la terminación del proyecto

hidráulico (ver Anexo 1).

A su vez en las presas se distinguen también elementos como el vaso, la cerrada o boquilla,

los paramentos, la coronación, los estribos o empotramientos, la cimentación, las

compuertas, la descarga de fondo, las esclusas, la escalera de peces, etc. (Gutierrez A.,

2009).

Los diferentes tipos de presas responden a las diversas posibilidades de cumplir la doble

exigencia de resistir el empuje del agua y evacuarla cuando sea preciso. En cada caso, las

características del terreno y los usos que se le quiera dar al agua, condicionan la elección del

tipo de presa más adecuado.


13

Existen numerosos tipos según su clasificación comenzando con que puede hablarse de

presas fijas o móviles, pero primero debemos clasificarlas en dos grandes grupos según su

estructura y según los materiales empleados en su construcción y según los siguientes

puntos de vista (Gutierrez A., 2009):

En cuanto a la situación del aliviadero: de descargue libre, de cresta vertedora, de

compuertas (controlado), etc.

Respecto a la forma de resistir el empuje hidrostático: estas pueden ser de gravedad,

de arco, contrafuertes, acanaladas, etc.

Respecto al material empleado: aquí aparecen las Presas de Tierra Presas de

concreto del tipo gravedad, Presas de concreto del tipo arco, Presas de concreto del

tipo contrafuertes.

Según su uso: Presas de almacenamiento, Presas de derivación, Presas reguladoras.

Según su proyecto hidráulico: presas vertedoras y no vertedoras.

Los modelos más usuales se pueden clasificar en (ver Anexo 2; figura1.1) (Armas N. and

Horta M., 1987, Alvarez Gil, 1998, Cherry, 2006, 2008-II, 2008, Gutierrez A., 2009, Díaz P.,

2010, Álvarez G., 1998):

Presas de tierra homogéneas: están compuestas por un solo material (excluyendo la

protección de los paramentos) suficientemente impermeable.

Presas con núcleo de tierra ó heterogéneas: están compuestas por más de un

material, consta de un núcleo central impermeable (Álvarez Gil 1998 y libro Jiménez).

Presas de pantalla:


14

Las presas están compuestas principalmente por; Aliviadero, la cerrada, el embase, el vaso,

las tomas, los paramentos, las compuertas, la coronación, los estribos, la descarga de fondo,

la cimentación, la cortina (Gutierrez A., 2009) ( ver anexo 2).

En tal sentido se necesita cada vez más de estudios integrales en el diseño y proyecto de

presas de tierra que tengan en cuenta la mayor cantidad de factores que inciden en esta

tarea. Una vía de hacer realidad esto es ampliar los conocimientos sobre el comportamiento

de estas estructuras por medio de la realización de investigaciones y estudios que

proporcionen nuevos métodos y metodologías para poder afrontar los retos en la proyección

y construcción de presas de tierra que se imponen en las condiciones actuales al ingeniero

de presas.

1.2.2. Fuerzas actuantes sobre las estructuras

La estructura, debe cumplir en todo caso un doble condicionado: ser estable y ser resistente;

ambas, en función de las distintas solicitaciones a que se halla sometida. En cuanto a

estabilidad, el sistema de fuerzas (sea por sus componentes Verticales, Horizontales y

Momentos) ha de estar en equilibrio.

En cuanto a resistencia, el material de la presa debe poder soportar, coeficiente de seguridad

incluido, las máximas tensiones. Las solicitaciones a considerar están detalladas a

continuación.

Empuje del agua.

Fuerza activa fundamental, tiene dos componentes, Horizontal y Vertical; la Horizontal suele

ser la más importante. El empuje siempre está bien determinado.

Peso propio.

Fuerza pasiva fundamental. Componente vertical, que colabora en la estabilidad y que

también está bien definido.


15

Subpresión.

Fuerza activa complementaria importante. La subpresión está producida por la filtración; es

pues, exclusiva de obras hidráulicas. Ejerce una acción de cuña, con componentes

Horizontal y Vertical, siendo la Vertical la más destacada en general.

Temperatura y retracción.

Son fuerzas internas y, por lo tanto, tienen componentes en cualquier dirección. La retracción

y el efecto térmico son reducibles con ciertas medidas de precaución durante la ejecución.

Con las fuerzas anteriores hay que contar siempre; hay otras fuerzas accidentales, que no

actúan en todo momento, pero han de tenerse en cuenta al proyectar la estructura que las

soporte.

Terremotos

Producen fuerzas Horizontal y Vertical. Pueden ser importantes o no según las

características sísmicas de la zona que se trate. Cada vez se van teniendo más en

consideración, especialmente en las presas de tierra por los daños que le puede ocasionar.

Empuje del hielo

Fuerza horizontal, poco importante en general; sólo actúa en ciertas regiones.

Empuje de los sedimentos

De componentes Horizontales y Verticales, prevaleciendo los Horizontales. De poca

importancia por lo común

Efecto del oleaje

En general de poca importancia, salvo en embalses de mucha extensión o en los que sean

previsibles; o las singulares por aludes o desprendimientos difíciles de controlar.

Otras solicitaciones

En las presas de compuertas, debe estudiarse la posibilidad de vibraciones resonantes en

dichas compuertas.


16

Combinación de solicitaciones

Las solicitaciones señaladas no actúan todas simultáneamente. Existen determinadas

combinaciones de ellas que son determinantes. A continuación se harán ciertas

puntualizaciones.

Las combinaciones normales son:

o Embalse vacío. Actuación sola o simultánea de:

Peso propio, variaciones de temperatura.

o Embalse lleno. Actuación sola o simultánea de:

Peso propio, empuje hidrostático, presión intersticial (subpresión),

empuje de aterramientos, empuje de hielo o de las olas y variaciones de

temperatura.

1.3. Problemas de estabilidad en presas de tierra

Existen diferentes métodos de análisis para los problemas de estabilidad en las presas de

tierra, entre ellos se encuentran (Gavilanes J., 2006).

Método del circulo de rotura

Método de Dovelas

Métodos aproximados

o Método ordinario o de Fellenius

o Método simplificado de Bishop

o Método simplificado de Janbu

Métodos precisos

o Método de Morgenstern-Price

o Método de Spencer

o Método de Sarma


17

Soluciones basadas en Ábacos

o Taylor

o Bishop

o Hoek y Bray

La previsión de la aparición y alcance de algunos de estos tipos de inestabilidad interna,

permite al ingeniero adoptar las medidas morfológicas y constructivas, que evitan o aminoran

los efectos de estos problemas. Los problemas en el proyecto de una presa de materiales

locales asociados al cálculo y diseño de la misma, Estas se pueden clasificar en tres grupos

(Gutierrez A., 2009):

La estabilidad de tipo estático: necesidad de que el coeficiente de seguridad, frente a

un deslizamiento total o parcial que afecte a la presa o a su cimentación, sea

aceptable, bajo las fuerzas que actúan de una forma permanente, como son el peso

propio de la obra, las fuerzas de filtración y de la presión intersticial del agua.

Resistencia al esfuerzo cortante de los materiales que la componen

La estabilidad de tipo interno: permanencia de la funcionabilidad de cada una de las

partes de la presa en especial la del núcleo o pantalla de impermeabilización

La estabilidad de tipo dinámico: cuando la sismicidad del desplazamiento sea de tener

en cuenta, aunque muchas veces se transforma en otra de tipo estático equivalente,

en casos especiales o importantes; es preciso efectuar un análisis verdaderamente

dinámico del comportamiento de la obra.

En este trabajo se abordan aspectos solamente relacionados con los problemas de

estabilidad de tipo estático y algunos temas de la estabilidad de tipo interno. No avanzamos

sobre el problema dinámico por su complejidad y la necesidad de profundizar en los objetivos

del trabajo (Castillo T., 1997, Ruesta R. et al., 1998, Álvarez G., 1998, Alvarez Gil, 1998).

Estabilidad vertical

Las componentes verticales son las que siguen:

o El peso propio, la componente vertical del empuje del agua, la subpresión, la

reacción vertical del cimiento.


18

Las dos primeras son activas y dirigidas hacia abajo; las dos últimas van dirigidas hacia

arriba: la subpresión es activa y la cuarta es pasiva (resistente).

Estabilidad del vaso

La estabilidad del vaso debe ser tal que no pueda padecer la retención del agua ni la

seguridad de la presa, pero son admisibles faltas de estabilidad parciales siempre que no

afecten a ninguna de las dos condiciones esenciales enunciadas. Por ejemplo, es admisible

que al mojarse alguna zona del embalse haya un corrimiento limitado. Si ésta no descubre

alguna parte permeable o soluble, el embalse no padece por ello.

Estabilidad al vuelco.

Viene expresada por el equilibrio de momentos.

Estabilidad al deslizamiento.

Una presa tiene que cumplir fundamentalmente, estas dos condiciones:

-Ser estable, esto es que, como conjunto, esté en equilibrio.

-Ser resistente, es decir, que en ningún punto pueda romperse.

Una presa, sea bóveda o gravedad, está sometida a esfuerzos tangenciales al cimiento o

apoyo que tienden a producir su deslizamiento, circunstancia que hay que comprobar por ser

muy importante.

En las presas de fábrica se comprobará la estabilidad frente al posible deslizamiento según

superficies que corten al terreno, incluyendo aquellos en contacto con la presa y sean

desfavorables a dicho efecto. Se justificará en cada caso:

que se ha comprobado la seguridad frente al deslizamiento según las superficies más

desfavorables,

que, antes de iniciarse el deslizamiento, se transmiten las fuerzas a todo el terreno

que se considere afectado por aquel, y

que se han previsto las medidas necesarias para garantizar durante la vida de la presa

la permanencia de los terrenos que se oponen al deslizamiento.


19

Si queremos contar con la colaboración resistente del empuje pasivo en presas de fabrica, no

hay más remedio que hundir la cimentación de la presa unos metros en roca buena, y

hormigonar la base de la presa, hasta el contacto con la roca. Se aconseja como buena

práctica constructiva dejar un zócalo, hormigonando la parte baja de la presa contra el talud

de roca buena y sana y no por medio de un encofrado inclinado. Y esto aunque la

profundidad de la excavación sea poco importante y el empuje pasivo sea casi despreciable.

Pero en algunos casos, cuando el espesor de roca afectado es importante, puede serlo

también la colaboración de la roca por su empuje pasivo y en este caso, no sólo es una

buena práctica, sino conveniente para la estabilidad. Para asegurar esta colaboración no

basta con hormigonar pues el contacto puede tener cierto hueco que aunque invisible, podría

absorber una parte del movimiento de la presa antes de que la roca se deformara, con lo que

se retardaría el efecto resistente de ésta. Para evitarlo, hay que inyectar la junta para

asegurar el relleno de los huecos e incluso para lograr una cierta presión inicial sobre la roca.

Figura 1.2. Representación de las fuerzas actuantes y resistentes del talud.

Los problemas de estabilidad de taludes no pueden resolverse con soluciones tabuladas, ya

que no hay dos deslizamientos iguales por la sencilla razón de que el disparo de una

inestabilidad suele tener su origen en la convergencia de múltiples condicionantes de

carácter local (ver figura 1.2).

TaludV:H

corona

pie del talud

W

s

s

s

VW

donde:V volumen peso específico

del sueloW peso de la masa deslizantes esfuerzo tangencial a lo largo de la superficie de falla.(su valor máximo es igual a la resistencia al cortante).


20

1.4. Impermeabilidad del embalse.

Éste se hace con el fin de retener agua y, por ello, toda fuga de ella es contraria a tal objetivo

funcional; sin embargo, es imposible la impermeabilidad absoluta, por lo que hemos de

contentarnos con exigir que las pérdidas sean mínimas y despreciables. Pero sobre todo que

no progresen ni produzcan presiones intersticiales peligrosas

Al analizar la impermeabilidad, hemos de considerar dos facetas: el embalse, en general, y

las proximidades de la presa, esto es, la cerrada.

o el embalse.

Es la más importante desde el punto de vista de la retención, pues afecta a una extensión

considerable. Además, de existir algunas zonas permeables en el vaso, si son de cierta

importancia, no podrán tratarse por su coste excesivo. En cambio, el vaso suele tener la

ventaja de que el gradiente hidráulico de la posible filtración es débil.

o la cerrada.

En ella, los posibles caminos de fuga son cortos, lo que conduce a gradientes fuertes.

Asimismo, estas posibles filtraciones no solo pueden ser notables, sino que, además,

producen presiones intersticiales que influyen en la estabilidad y resistencia de los estribos y

de la presa.

En contrapartida, al ser la zona de una superficie y volumen más limitados, es susceptible de

una investigación cuidados y de adecuado tratamiento.

1.4.1 Observación de las filtraciones

Estas tienen un interés intrínseco, puesto que la presa se hace para retener agua y toda

pérdida de ella va contra ese objetivo fundamental.

Pero también tienen un valor como índice, pues una filtración excesiva acusa un defecto que

puede derivar en aumento de la presión intersticial, lavado de la fábrica o de las diaclasas de

la roca etc. con repercusión creciente. Por eso es casi más interesante que la magnitud de la

filtración su constancia o variación.


21

Una filtración incluso notable, pero invariable puede no ser peligrosa. En cambio puede ser

alarmante una pérdida pequeña en su comienzo que va aumentando con el tiempo, porque

ello es señal del lavado del material. Sobre todo si el agua sale turbia, denota que hay

disolución o arrastre, con lo que el camino de la filtración se va agrandando. Las filtraciones

han de observarse tanto integral como individualmente.

Sifonamiento: Cuando el agua fluye a través del suelo, su carga hidráulica se disipa

venciendo las fuerzas viscosas inducidas y que se oponen al flujo en los canalículos

formados entre las partículas; recíprocamente, el agua que fluye genera fuerzas erosivas que

tienden a empujar las partículas, arrastrándolas en la dirección del flujo. En el momento en

que este arrastre se produce, ha comenzado el sifonamiento mecánico del suelo (Armas N.

and Horta M., 1987, Armas N. et al., 1994).

La medida conjunta de las filtraciones da un índice del comportamiento general pero no

basta. Hay que observar también por zonas, para ver si algunas de ellas son causa de la

mayor parte de las pérdidas. Las observaciones se hacen en las galerías de visita, viendo en

cada una el caudal de las cunetas y observando si algunos drenes dan más agua que otros

(como es lo normal). De esta forma podemos inyectar la zona más permeable, atacando el

mal en el sitio más agudo.

La observación conjunta se puede hacer recogiendo todas las filtraciones en un canalillo

colector final provisto de un vertedero triangular para poder medir con la mayor exactitud

posible el caudal. Al hablar de filtraciones y subpresiones no nos referimos sólo a la presa,

sino a la roca, pues ya sabemos que ésta es tan importante o más que aquella. Las galerías

y pozos de drenaje y observación deben penetrar en la roca. En cuanto al embalse, sus

filtraciones tienen el mismo interés general, pero su observación ha de hacerse por medios

más indirectos. Basta comprobar que no hay manantiales que puedan provenir de él.

1.5. Ciclo de vida útil de las presas

Un problema que enfrentan los embalses y presas de la región es el del acortamiento de su

vida útil, fenómeno por lo demás común a la mayoría de las presas del mundo, en especial

aquellas construidas en regiones semiáridas o tropicales.


22

La reducción de la vida útil es causada por la acelerada erosión de las cuencas de captación,

con lo cual las presas tienden a colmatarse por acumulación de sedimentos a tasas muy

superiores a las previstas.

Los sedimentos son recogidos por el flujo de agua en su recorrido por la cuenca y se

mantienen en suspensión mientras el agua está en movimiento, pero tan pronto como el

agua deja de fluir y se asienta en el lago artificial, los sedimentos se acumulan en el fondo. Si

estos sedimentos no se remueven, la presa termina por colmatarse. Hay soluciones para el

colmataje de presas: se puede elevar la presa, dragarla o construir una presa secundaria

aguas arriba con el fin específico de capturar los sedimentos, pero todas éstas son

soluciones caras.

Por otra parte, es preciso tener presente que la mayor parte de los sedimentos arrastrados y

que se depositan en la presa, representan tierras erosionadas de la cuenca, es decir, tierra

que se pierde por fenómenos de erosión. De allí entonces que, parece obvio, la mejor

manera de evitar el colmataje prematuro de presas y embalses es una práctica adecuada de

suelos en la cuenca y el control de los procesos de deforestación, muchas veces originados

por la propia construcción de la presa, y de la erosión.

El problema es particularmente serio en América Central, donde los ríos son relativamente

cortos y los emplazamientos posibles para los embalses, escasos. En estos casos la

construcción de presas ha ido asociada a fuertes procesos de deforestación y posterior

erosión.

Al margen de los impactos ecológicos, los efectos económicos son también muy serios; así,

por ejemplo, se ha calculado que a causa de la sedimentación las pérdidas en la producción

de energía hidroeléctrica de una sola planta pueden oscilar entre los 100 a 300 millones de

dólares al año.

1.6. Patologías más frecuentes en obras hidráulicas. Mantenimiento y reconstrucción.

En las presas de tierra existen diferentes tipos de patologías y cada una con sus

características específicas en correspondencia con los distintos elementos que compone

dichas presas; cortina, toma de agua y el aliviadero.


23

Este trabajo tiene como antecedente la tesis de (Cherry, 2006) donde hace referencia

detallada de cada una de estas patologías por elemento estructural afectado, además de

citar algunas experiencias que se presentan en estructuras hidráulicas como es el caso de:

El Embalse “Lebrije", Jatibonico, Sancti Espíritus y la tesis de (Gutierrez A., 2009), el cual

realizó un estudio detallado de las patologías que existían en la Presa Minerva y Gramal. A

continuación en la figura 1.3 se expondrán en un cuadro resumen estas patologías.

Los conceptos fundamentales de las patologías que afectan a las obras hidráulicas están

expuestos en el anexo 3.

1.6.1. Patologías más comunes en las presas

Deslizamiento: Son fenómenos espectaculares y peligrosos. Se producen cuando a lo largo de una

determinada superficie de falla se ejercen esfuerzos de cortante mayores que los que puede movilizar

el suelo en esa superficie.

Pueden movilizar solo parte de la cortina o llegar a afectar la base, y originarse a partir del

agrietamiento (Armas N. and Horta M., 1987, Armas N., 1990, Armas N. et al., 1994).

Agrietamiento: El agrietamiento se origina cuando la deformación de la cortina produce zonas

de tracción, que aparecen por asentamiento diferencial de la masa del suelo, sea por

deformación del propio cuerpo del terraplén o del terreno de cimentación. Como quiera que

por estas causas la presa pueda deformarse de muchos modos, los sistemas de

agrietamiento que el ingeniero puede encontrar en sus inspecciones a presas son de una

inmensa variedad (Armas N., 1987).

Las grietas atendiendo a su rumbo, se dividen en longitudinales o transversales. Las

primeras son las que tiene un rumbo perpendicular a su sección transversal, las segundas

son paralelas a la sección transversal, siendo las de mayor peligrosidad.


24

Figura 1.3. Representación en esquema de las patologías en los tres objetos de obra de una presa de tierra.

Asentamientos: Tienen lugar al reducirse el espesor de un estrato debido a la reducción de

su parte vacía, lo que tiene que ver con la consolidación de esa masa de suelo al aplicársele

determinada carga. Cuando la respuesta de los diferentes estratos y/o las cargas que tiene

lugar en los distintos puntos no es la misma, ocurren diferentes grados de asentamientos,

diferencias que se conocen como asentamientos diferenciales, que de ser marcados son

muy peligrosos (Geocuba, 2004b, Geocuba, 2004a, Chrzanowski et al., 1985,

Chrzanowski et al., 1986, Chrzanowski and Chen, 1986, Chen et al., 1990, Chrzanowski

and Szostak-Chrnowski, 1993, Szostak-Chrnowski et al., 2003).

Patologías en presas de tierra

Cortina de tierra

Deslizamiento

Agrietamiento

Sifonamiento

Deformación

Asentamiento

Filtraciones

Erosión

Toma de agua y aliviadero

Corrosión

Fisuración

Eflorescencia

Abrasión y Desgaste

Lixiviación

Cavitación

Carbonatación


25

Deformación: En las presas como en cualquier otro tipo de construcciones donde se altera el

medio al aplicar esfuerzos, tienen lugar deformaciones, que pasan por la respuesta de cada

tipo de suelo a la carga que se le impone, lo que también se conoce como resistencia

intrínseca del suelo, que al ser menor que los esfuerzos aplicados, el suelo falla, por la

llamada resistencia al cortante, dando lugar a desplazamientos importantes de su masa,

provocando problemas a la estabilidad del medio (ver anexo 3).

Es necesidad de nuestro trabajo el conocimiento de los conceptos de mantenimiento y

reconstrucción de las edificaciones, como es el caso de: inspección, reparación, deterioro y

proceso patológico por citar algunos, y sus diversas manifestaciones en una estructura. En el

anexo 4 se exponen los mismos citados por (Cherry, 2006):

Nuestro objetivo es elaborar un catálogo de patologías propio para la presa Alacranes,

incluyendo la confección de fichas técnicas que nos serán muy útiles en el desarrollo de la

investigación y en cada una de las inspecciones a realizar.

En este capítulo haremos referencia a varias metodologías para la intervención

que han propuestos varios autores en determinados condiciones de trabajo y en

edificaciones diferentes, aplicadas a centros de valor histórico, trabajos realizados

por el grupo de proyecto investigativo (CIDEM), de otras instituciones nacionales y

extranjeras. El objetivo nuestro será basarnos en estos trabajos y confeccionar una

metodología propia para las obras hidráulicas, colocándola al servicio de la

empresa con quienes trabajamos en el proyecto. La misma será mostrada en el

capítulo 2.

A continuación citaremos ejemplos metodologías aplicadas a obras de valor histórico.

1. "Proyecto de Investigación Palacio de los Capitanes Generales" (FC.CIDEM.Uclv,

2004)

2. "Diagnóstico de edificaciones de La Plaza del Cristo" (Autores., 2004)

3. "Sistema metodológico para el diagnóstico de las edificaciones en el Centro Histórico

de La Habana" (Álvarez, 2004)

4. "Análisis de la cúpula del Hostal Palacio Azul. Cienfuegos" (Fc.CIDEM.Uclv, 2005)


26

5. "Tecnología Previa a la Restauración de Edificios Históricos" (Jurado Jiménez, 1998)

6. “Patologías y modelación del Templete” (Fc.CIDEM.Uclv, 2004)

1.7. Conceptualización de la modelación por MEF para su aplicación en la intervención

de presas de tierra.

1.7.1. Introducción

Desde tiempos ancestrales el papel del ingeniero ha sido básicamente el mismo, tratar de

conocer e interpretar los mecanismos de la naturaleza para así poder modificarla al servicio

del hombre. Para ello ha utilizado sus conocimientos, intuición, experiencia y los medios

naturales a los que en cada momento ha tenido disponibles. Con el gran poder de cómputo

que se tiene en estos días, el ingeniero dispone de grandes ventajas para poder llevar a cabo

su misión y abordar cada día retos mas ambiciosos en la solución de nuevos problemas,

cuyos aspectos políticos, económicos, científicos o tecnológicos pueden tener un mayor

impacto en la mejora de la calidad de vida del hombre. Encontramos así aplicaciones de los

métodos numéricos en los ámbitos más diversos desde sectores tecnológicos tan clásicos

como la ingeniería estructural, etc.

Para todo objeto de modelación debemos tener presente el análisis del problema real, el

modelo de las cargas, del material y de la estructura, así como los métodos de diseño y

seguridad aplicados a la solución del modelo del problema real. A continuación se muestra

en un esquema la concepción general de la modelación (ver figura 1.4) (Broche Lorenzo,

2005).


27

Figura 1.4. Concepción general de la modelación.

Para la realización del estudio de comportamiento de una estructura en general existen

diversos métodos que dependen de la profundidad con que se van a acometer los análisis de

las variantes, de la complejidad que represente y de los medios disponibles para llevarla a

cabo.

Por estas razones se hace necesario realizar un estudio bibliográfico y un análisis del estado

del conocimiento de la temática de modelación y aplicación de los métodos numéricos para

el cálculo y diseño en ingeniería, basándose en los conocimientos adquiridos en aspectos de

modelación de edificaciones para emplear dichos métodos en estos tipos de obras.

A partir de la aplicación del método de los elementos finitos se desarrolla el análisis tenso-

deformacional de la cortina y se le da solución a la misma. Se realiza una caracterización de

los problemas de la estabilidad interna por medio de los distintos estados de carga que se ve

sometida la obra y la forma de modelación por un cálculo en elementos finitos, teniendo en

cuenta la geometría de la sección, cargas actuantes y propiedades tenso-deformacionales

del suelo. Se pueden definir las características de los estados de cargas y sus casos de

carga necesarios para modelar la cortina y analizar las condiciones de inestabilidad interna

teniendo en cuenta los factores que la originan.

Problema real

Modelo delas cargas

Modelo delmaterial

Modelo de la estructura

Métodos de Diseño y seguridad

Solución del modelo y del problema real


28

La modelación mediante un cálculo en elementos finitos se presenta inicialmente para el

estado de carga general. La caracterización para cada estado y caso de carga se realiza

sobre la base de una representación gráfica simplificada del esquema de cálculo, la

simulación de las cargas actuantes, el tipo y la forma a considerar el comportamiento tenso-

deformacional de los suelos y los resultados que se obtienen. (Álvarez G., 1998).

1.7.2. Características del Método de los Elementos Finitos

Como el Método de Elementos Finitos (MEF) es el que se va a emplear abundaremos un

poco más en los aspectos relacionados a su aplicación, generación del mallado y los

posibles errores que pueden cometerse en su formulación e interpretación.

El principio fundamental del método estriba en sustituir la expresión diferencial por una

expresión equivalente en términos de incrementos finitos de las variables. Todas las

variables del problema quedan discretizadas. La discretización de las variables geométricas

conduce a una subdivisión del dominio mediante una red ortogonal.

La discretización de las ecuaciones diferenciales permite obtener expresiones que relacionan

los valores de las variables y sus incrementos y por tanto permiten la solución en forma

incremental. En él se divide el medio continuo en elementos interconectados en un número

finito de nudos en los cuales actúan las resultantes del sistema de cargas que solicitan al

continuo. Considerando las relaciones tensión-deformación de cada uno de los elementos y

suponiendo una función de acuerdo a la cual se pueden definir los desplazamientos dentro

del elemento en función de los desplazamientos.

Dada la imposibilidad práctica de encontrar la solución analítica de estos problemas con

frecuencia en la práctica ingenieril los métodos numéricos y en particular los elementos

finitos se convierten en la única alternativa práctica de cálculo. Es necesario entonces

establecer una guía general para la aplicación del método numérico que se va a emplear en

las etapas de modelación de las estructuras que se abordan más adelante.


29

1.7.3 Antecedentes de la modelación estructural aplicada a obras de ingeniería

En este capítulo haremos referencia a varias metodologías para la intervención que han

propuestos varios autores en determinados condiciones de trabajo y en edificaciones

diferentes el uso de la modelación estructural, aplicadas a centros de valor histórico, trabajos

realizados por el grupo de proyecto investigativo (CIDEM), de otras instituciones nacionales y

extranjeras.

Sagrario de la Catedral de la Ciudad de México

En este ejemplo se realizó la modelación estructural con los programas profesionales

SAP2000, GID y VRML. Con el programa SAP2000 se realiza la modelación de la estructura

y la obtención de los resultados numéricos, con el programa GID se crea una interface

gráfica que permite la visualización de todos los datos relacionados con la simulación

numérica y el VRML es una interface entre el SAP y el GID que traduce los resultados a un

modelo desde el cual se puede navegar gráficamente dentro y fuera de la estructura

analizada (ver figura 1.5) (Muños, 2003).

a) b)

Figura 1.5. Modelación de la Catedral de la Ciudad de México.a) Modelo geométrico de la estructura.b) Estados tensionales que se generan, representados en el VRML.

Análisis de la Cúpula del Hostal “Palacio Azul”. (Cienfuegos)


30

b)

Para realizar la rehabilitación de la cúpula del hostal se realizó una defectología de la misma

y se corroboró con la implementación de la modelación estructural utilizando el programa

computacional ABAQUS/CAE versión 6.4-1.

Con este trabajo se evidenció que las columnas que habían fallado se debían por la

concentración de tensiones producto de la acción de la carga de viento asociada a eventos

extremos (huracanes) que afectaron esta región, pudiéndose implementar más tarde un

sistema de apuntalamientos y propuesta de rehabilitación (ver figura 1.6) (Broche, 2005).

a)

c) d)

Figura 1.6. Modelación de la Cúpula del Hostal “Palacio Azul”.a) Vista de la cúpula.b) Modelo geométrico logrado.c) Tensiones generadas por la acción del viento extremo.d) Esfuerzos normales.


31

1.7.4 Trabajos anteriores relacionados con la modelación de obras hidráulicas.

Para realizar la modelación del problema real es necesario conocer los modelos de las

geometrías, de los materiales y de las cargas que se le deben entrar al software como

herramienta en el proceso de modelación para ajustarse lo mejor posible a la estructura real

analizada (Collado, 2007).

Como primera referencia tenemos la tesis “Modelación de la Torre de la Toma de Agua”

(Collado, 2007), apoyado en el programa computacional SAP 2000, modela la estructura,

teniendo como base matemática el Método de los Elementos Finitos (MEF).

La torre de la toma de agua se encuentra ubicada como se muestra a continuación en las

figuras 1.7 y 1.8.

Figura1.7: Sección correspondiente al plano de la Torre de la toma de agua.

A continuación se muestra un modelo geométrico virtual de la estructura.

Figura 1.8: Modelo geométrico virtual de la estructura (toma de agua).


32

Como segunda referencia se presenta un modelo de estudio de una presa en arco. En este

tipo de estructuras debe tomarse en cuenta la capacidad de la roca sobre la cual se

cimentará la cortina de la presa, la interacción con el fluido y garantizar que si se presenta

una acción sísmica, la presa no se colapsará (ver figura 1.9).

Figura 1.9. Simulación numérica de una presa en arco.

Como tercera referencia tenemos la tesis doctoral: “La estabilidad de cortinas de tierra

mediante la solución de los estados tenso – deformacionales y la aplicación de la teoría de

seguridad”. (Alvarez Gil, 1998).

Caso de estudio:

Comprobación de la estabilidad interna. Presa Agabama. Análisis del agrietamiento.

Mediante el MEF se puede investigar la importancia relativa de los diversos factores que

afectan el desarrollo de las zonas de tensión en presas de tierra y enrocamiento.

Por cuarta referencia tenemos el trabajo de diploma: “Diagnóstico de Patologías en Presas

de Tierra y propuesta de solución” (Gutiérrez, 2009).


33

Caso de estudio:

“Presa Minerva y Gramal”.

En este trabajo también se utilizaron diferentes programas computacionales que son

necesarios a la hora de Modelar y además se definieron las patologías que existen en estas

obras.

En este trabajo se modelo la galería de la Presa Minerva a través del programa

SAP2000 (ver figuras 1.10y 1.11).

Figura 1.10: Dimensiones de la galería Figura 1.11: Modelo de la geometría

En este modelo se analizan las tensiones que se generan en el muro central donde se

localizan las grietas.

Figura 1.12. Convenio de esfuerzos que adopta el programa.

Los ejemplos anteriores son sólo una muestra de la aplicación de las herramientas de trabajo

del proyectista para el cálculo, análisis e interpretación de los distintos resultados necesarios


34

para evaluar de una forma integral el estudio del comportamiento de obras de ingeniería (ver

figura 1.12).

El objetivo nuestro será basarnos en estos trabajos y aplicar una metodología propia para la

obra objeto de estudio, colocándola al servicio de la empresa con quienes trabajamos en el

proyecto. La misma será mostrada en el capítulo 2.

1.8. Breve descripción de los programas para la modelación que utilizaremos

Para crear nuestros modelos virtuales nos apoyaremos de manera específica en el paquete

de programa GEO-SLOPE, que son programas de análisis, elástico lineal y de segundo

orden de estructuras, por medio de métodos de elementos finitos que incluye un pos

procesador gráfico para la presentación de resultados. Actualmente es uno de los más

utilizados entre los calculistas, investigadores y estudiantes. El programa permite una

visualización gráfica de los valores tensionales, esfuerzos y deformaciones.

Este paquete de programas esta compuesto por varios programas independientes de los

cuales trabajaremos con los siguientes:

El SIGMAW; permite trabajar diferentes modelos de materiales (Lineal – elástico,

elasto – plástico, superficie de deslizamiento, etc.), y determinar la carga de rotura.

Este programa tiene base matemática en el Método de lo Elementos Finitos (MEF).

En su algoritmo de trabajo, el sistema parte de un estado tensional inicial y por

sucesivos incrementos internos de la carga se alcanzan la rotura, cuenta con un

preprocesador y un pos procesador que brinda la información referente a cada

incremento de carga en cuanto a tensión, deformación y plastificación, cuenta con

un preprocesador y un pos procesador que brinda la información referente a cada

incremento de carga en cuanto a tensión, deformación y plastificación. Los

ejemplos anteriores son sólo una muestra de la aplicación de las herramientas de

trabajo del proyectista para el cálculo, análisis e interpretación de los distintos

resultados necesarios para evaluar de una forma integral el estudio del

comportamiento de obras de ingeniería


35

El SLOPEW; permite el análisis de la estabilidad de los taludes en medios

continuos por MEF en cualquier objeto de obra mediante el calculo de un factor de

seguridad global según las diferentes condiciones y parámetros.

El SEEPW; permite establecer un análisis de las filtraciones en medios continuos

por MEF que pueden ocurrir en determinadas obras etc. A continuación les

mostramos en la figura 1.13 un esquema con los diferentes programas que

contiene el paquete GEO-SLOPE.

Figura 1.13. Esquema de contenido de software del Paquete de análisis GEOS-LOPE.

Geo - Slope

Geo - StudioGeo - Slope

CTRAN/W

Flujo a través de un depósito de arcilla.

Análisis de consolidación.

Flujo a través de presas, bases de las presas y excavaciones.

Infiltración a través de taludes estratificados.

Filtración radial hacia pozos.

SIGMA/W

SEEP/W

QUAQUE/W

TEMP/W

SLOPE/W


36

A través de estos programas realizaremos la modelación de la cortina de la presa objeto de

estudio con el fin de analizar los problemas que existen en la obra para su posterior

intervención.

Conclusiones parciales del capítulo

1. Mediante la caracterización del estado del arte se conoce las distintos tipos de presas y

sus partes componentes, materiales y condiciones a cumplir.

2. Se define las fuentes de conocimiento y sus tendencias en cuanto a las patologías y

síntomas para la cortina de tierra, aliviadero y la toma de agua que permiten proponer una

forma de diagnóstico y catálogo de patologías.

3. Son citadas diferentes metodologías de diagnóstico que nos servirán como base para

elaborar una propuesta para las obras hidráulicas.

4. La experiencia acumulada en la modelación de estructuras de los objetos de obras de

presas de tierra, tomando como base: tipo de estructura, estados y casos de carga que

actúan sobre las estructuras para dar solución a los problemas causales de las patologías

presentes en el caso de estudio para la presente investigación establece una

continuación de los proyectos de desarrollo económico social en la formación profesional

de los estudiantes de pregrado y postgrado.

37

Capítulo II. Patologías del Embalse “Alacranes”. Orígenes, causas y Metodología para la intervención

38

Capítulo II. Patologías del Embalse “Alacranes”. Orígenes, causas y Metodología

para la intervención

2.1. El proceso patológico

El encuentro con un proceso patológico tiene por objetivo su solución, que implica la

reparación de la unidad constructiva dañada para devolverle su misión inicial.

Para atacar un problema constructivo, en primer lugar se debe diagnosticar, es decir,

conocer su proceso, origen, causas, evolución, síntomas y estado actual. Este conjunto

de elementos pueden agruparse de un modo secuencial, por lo que se denomina

normalmente proceso patológico.

En un proceso patológico se pueden distinguir tres partes bien definidas, el origen, la

evolución y el resultado final, de tal modo que para su estudio se debe recorrer dicho

camino de forma inversa.

Así pues, se debe empezar por observar el resultado de la lesión, el síntoma, para

llegar a su origen, la causa, siguiendo la evolución de la misma.

Este análisis debe ser metódico y exhaustivo porque de él depende el éxito de la

empresa. Por ello, es preciso adoptar un método sistemático de observación y toma de

datos para limitar las posibles ideas preconcebidas, es decir, contener la intuición

profesional que puede ser común y útil, pero muy peligrosa en algunas ocasiones (ver

anexo 4).

Para el análisis de las diferentes patologías que existen en la presa objeto de estudio es

necesario aplicar una metodología basada en 14 etapas esenciales que se explican

detalladamente en el trabajo de diploma de Gutiérrez (2009) que son mostradas en el

esquema de procedimiento contenido en la figura 2.1.


39

Figura 2.1. Procedimiento Metodológico propuesto por Gutiérrez (2009) a asumir para la

presente investigación.

Inspección inicial

Inspección preliminar Levantamiento de deterioros

Realización de ensayos rápidos o generales Recopilación de antecedentes

Confección de fichas y planos

Realización de los ensayos

Pre diagnósticoPropuesta de intervención

urgente

Selección de ensayos especiales en obra o en laboratorio y de la zona donde se realizarán

Pronóstico

Definición de conducta

Diagnóstico

Terapia

¿Es posible diagnosticar?

Si

No

DemolerPesimista

Optimista

Desconocida

Conocida

Selección de los materiales

Ejecución

Evaluación

Propuesta de mantenimiento

Satisfactoria

No satisfactoria

Investigar

IntervenirNo Intervenir

Registro de caso


40

2.2. Caracterización del objeto de estudio: “Alacranes”

El Embalse “Alacranes” se encuentra situado al Sur Suroeste del Poblado de Sagua La

Grande a 7,0 Km de distancia aproximadamente entre las coordenadas geográficas

siguientes: en el hombro izquierdo E 589897,7594, N 276180.5900; y en el hombro

derecho E 592077,7907, N 323045,9883.

Datos de la Presa

Nombre de la Presa: “Alacranes”

Categoría de Proyecto: 3

Año de terminación: 1972

Nombre del río que represa: Sagua la Grande

Objetivo:

Riego de 19600 ha de caña y 11000 ha de pastos en los sistemas Armonía y Macum

así como abasto a la industria Química de Sagua, posteriormente se incluyo transferir

101 hm³ al sistema Sagua la Chica para el riego de 15000 ha de aquel sistema; con

este objetivo se construyo en la década del 90 CM Trasvase Alacranes-Pavón del cual

se ejecutaron tres de los cuatro tramos previstos.

Ha sido recrecida: No

Los parámetros principales de la obra son:

Área de la Cuenca: 2030Km²

Escurrimiento medio anual: 547.0 hm³

Volumen total (NAN): 352.4 hm³

Volumen útil (NAN-NAM): 351.4 hm³

Volumen máximo (NAMáx): 680.0 hm³

Entrega neta: 325.0 hm³

Superficie de embalse para el NAN: 7640 ha


41

Cota de la cortina según proyecto: 38. 50 m.s.n.m.m1.

El acceso a la cortina es por un camino en regular estado que va desde la carretera

Santa Clara-Sagua hasta el hombro derecho. En la zona se distingue como actividad

económica en primer lugar las relacionadas con la presa y a la pesca en los estanques

construidos aguas debajo de la misma. Además existe actividad relacionada con el

pueblo de Sitiecito, cercano al área y asociada a la agricultura, en este caso, caña,

cultivos varios y pastos.

2.2.1. Piezometría

La red piezométrica controla la posición de de la curva de depresión en el cuerpo de la

presa, así como la presión en puntos específicos de la base. Con la red hidrométrica se

logra la medición de todas las filtraciones que surgen por el prisma de drenaje de la

presa y aguas debajo de la cortina. El estado de esta red piezométrica es bastante

buena y completa ya que existen piezómetros instalados en la corona, talud y pie del

talud aguas abajo, aunque algunos no están en actividad por falta de mantenimiento.

2.2.2. Condiciones Ingeniero Geológicas

La geomorfología del área se desarrolla en correspondencia con la estructura geológica

que está contenida principalmente sobre los sedimentos aluviales y la formación

Arabos, bordeada por varias formaciones en forma de bandas estrechas orientadas en

dirección Noroeste Suroeste, dispuestas de forma que las rocas menos suaves marcan

las elevaciones del terreno ubicadas de la misma forma. Están presentes además las

formaciones Vega Alta, Margarita, Arabos, Lutgarda, así como gabros más o menos

serpentinizados del complejo ofiolítico.

La importancia del ambiente geológico determinó los materiales de construcción que se

utilizaron en la cortina de la presa la misma está formada en el núcleo por sedimentos

aluviales del río Sagua La grande. El rocoso que forma los espaldones y la corona está

formado por materiales eluviales de las formaciones que rodean el área y es bastante

heterogéneo geotécnicamente, cuestión que también corroboró la geofísica.

1 m.s.n.m.m.: Significa Metros Sobre el Nivel Medio del Mar.


42

Como fenómenos ingeniero-geológico de consideración aparecen la erosión y el

intemperismo, que denudan las rocas y las trasladan a las zonas más bajas (San

Roman P. et al., 2008)

En la parte superior de la cortina se aprecian valores de resistividad aparente que

oscilan entre (30 y 300) Ω/m, y esta oscilación está dada por la heterogeneidad de los

materiales ubicados en la parte superior de la cortina, y los mismos están

representados por arenas arcillosas, con gravas semiredondeadas y angulosas

(material utilizado para el revestimiento del núcleo), esta capa es denominada como A

(San Roman P. et al., 2008) (ver anexo 5).

Capa A: Arena arcillosa de color pardo amarillento, pardo rojizo, con algunas manchas

blancas de CaCO3 y gravas semiredondeadas, angulosas, bien graduadas con diámetro

entre 1 cm y 4 cm. Material empleado para los espaldones. En la investigación anterior

se mostró con una potencia entre 5,5 m y 9,0 m, en la última entre 6,0 m y 6,8 m. El

coeficiente de filtración varía entre 0,008 m/d a 0,15 m/d, muy variable, aspecto que

también se aprecia en sus propiedades físicas en general, como es el caso de la

granulometría.

Esta forma de presentarse tiene que ver de forma directa con el paso del agua a través

de sí, las zonas de mayor permeabilidad se asocian a las partes más gruesas, con

mayor permeabilidad efectiva, más espacios vacíos, características que se revelan aún

más por el estudio geofísico y dado por este como zonas de agrietamiento. También se

obtuvo con este estudio zonas de posible filtración, asociado a puntos de mayor

saturación y humedad.

El estudio geofísico subdividió esta capa en dos partes, dándole mayor heterogeneidad

al material presente en los tres primeros metros, donde sus partículas están débilmente

unidas, debido a las irregularidades del grado de compactación, y además se

encuentran más expuestas a la acción de agentes externos como son: el viento, la lluvia

y usualmente los mismos son descompuestos y meteorizados.


43

En esta capa que denominaremos en términos geofísicos A1, los valores de resistividad

aparente varían entre (30 y 300) Ω/m. Su espesor promedio es de 3 m zona, además de

mayor problema con la compacidad de forma general, que tiene que ver con la

conservación y el estado general de la cortina.

La segunda, Capa A2, es más homogénea que la descrita anteriormente, característica

que se acentúa con la profundidad, en la misma los valores de resistividad aparente

fluctúan en un rango mucho menor, y el mismo se encuentra entre (30 y 80) Ω/m, y

presenta un espesor promedio de 4 m. El espesor conjunto de ambos materiales es de

aproximadamente 8 m. Lo que si está claro al observar los valores de las densidades

secas detectadas por la investigación anterior y el estudio geofísico actual, que los

materiales fueron colocados por debajo de su compactación óptima, con resultados

bastante por debajo en este sentido, aspecto que de forma resumida ofrecemos en la

siguiente tabla (2.1).

Tabla 2.1. Resultado de las densidades secas por diferentes métodos. Capa A

Geofísica Natural anterior Próctor 16 muestras

1,48 -1,67 g/cm3 1,37-1,65 g/cm3 1,62 – 1,77 g/cm3

Subyaciendo a ambas se encuentra una capa muy homogénea donde se observan

valores de resistividad aparente por de bajo de lo 20 Ω/m. La variación de las

resistividades aparentes dentro de esta capa está relacionada de forma inversa con el

grado de plasticidad y de humedad de la misma, es decir en la medida que la

resistividad aumenta la plasticidad y la humedad disminuyen.

Capa B. Arcilla muy plástica ligeramente arenosa de color pardo negruzca, a veces algo

verdosa, asociada a la construcción del núcleo de la presa, se cortó con una potencia

entre 4,5 m y 16,0 m, promedio 10,2 m, con un coeficiente de filtración de 0,0006 m/d a

0,006 m/d. Clasifica por el SUCS como CH.


44

De forma general el comportamiento de sus propiedades es más estable y los valores

de sus densidades secas se mueven en un rango más reducido y coincidente con los

resultados del Próctor estándar, tanto en la investigación anterior como en el estudio

geofísico. En la tabla 2.2 se pueden apreciar estos resultados.

Tabla 2.2. Resultado de las densidades secas por diferentes métodos. Capa B

Geofísica Natural anterior Próctor 16 muestras

1,43 -2,07 g/cm3 1,27-1,53 g/cm3 1,43 – 1,57 g/cm3

Es importante destacar que el techo de esta capa forma un contacto irregular con los

materiales que la sobre yacen (capa A2), en cuanto al piso de la misma estas

irregularidades se hacen más significativas dada la variedad de las rocas que la

contactan en la base la presa. La potencia es variable y en algunas zonas resulta difícil

determinarla desde el punto de vista geofísico ya que existen materiales en la base que

presentan propiedades geoelétricas similares a ella, como son las arcillas algo arenosas

y las arcillas de alta plasticidad algo arenosas de las capas 1 y 3a respectivamente,

independientemente a ello consideramos que la misma presenta un espesor variable

entre (9 y 14) m (ver anexo 6).

2.3. Identificación de las patologías

Como parte del control técnico de la presa Alacranes, se ha podido apreciar en lo

referente a la inspección visual sistemática de todas sus partes, la presencia de varios

deterioros cuyas dimensiones y manifestaciones sugieren un análisis inmediato y

profundo de sus causas y posibles consecuencias.

Resultados de las observaciones visuales:

o Cortina principal: Se manifiestan fisuras longitudinales en el talud seco,

entre la berma y la corona, abarcando desde la estación 10+00 hasta la

11+80, en la zona central de la cortina, a partir de 100m del cause, en su

margen izquierda.


45

o Las fisuras alcanzan en algunos puntos una amplitud máxima de 150mm,

precisándose la profundidad mediante una calicata. Las fisuras comienzan

aproximadamente en cota 30 m.s.n.m. alcanzando la 34 m.s.n.m. en su

parte alta, 4 m por debajo de la corona, según apreciación visual.

o Dique: Se aprecian fisuras longitudinales en la corona, en los dos bordes,

es decir hacia la parte superior del talud aguas abajo y de aguas arriba,

aunque son más numerosas hacia el lado seco. Estas fisuras comienzan a

150m de la obra de toma del canal trasvase, y se prolongan prácticamente

hasta el final del dique, en una longitud de 700m a 800m. La amplitud de

las mismas alcanza hasta 80mm en superficie, apreciándose durante las

labores de sellaje profundidades entre 40 y 50cm, sin que esto signifique

el fin de su desarrollo en sentido vertical.

o Aliviadero: Se observan fisuras longitudinales a ambos lados, con una

longitud aproximada de 105 a 2.0m en todo lo largo del aliviadero, con un

espesor que oscila entre 1.0 a 3.0mm en superficie. Además existe

perdida del recubrimiento en la cresta del aliviadero.

Antecedentes:

Como aspectos conocidos o accidentes que interesan se registran:

o Deslizamiento de la capa vegetal en un sector de la parte alta del talud

seco aproximadamente de 150m, a la izquierda de la obra de toma, en la

cortina principal, en un momento reciente después de su terminación.

o Relieve irregular de la parte superior del núcleo, con estaciones donde se

halla muy próximo al NAN (32.32 m.s.n.m), pudiendo incluso ubicarse por

debajo del mismo, llamando la atención la coincidencia de este aspecto

con la zona problemática, ya que es aquí donde el núcleo pudiera

presentar las cotas mas bajas, que según con los cálculos aproximados

basados en la investigación ingeniero geológica efectuada para la

colocación de los piezómetros y su conjugación con los taludes de este


46

elemento, según el proyecto, pudiera incluso ubicarse 3.0m por debajo de

la cota 34.0 m.s.n.m, dada por proyecto para la corona del núcleo.

o La zona donde este declive del núcleo se manifiesta abarca una longitud

de 700m, en la parte central de la cortina, a partir de la toma de agua en

dirección hacia el hombro izquierdo.

o Presencia de zonas de humedad en berma y áreas adyacentes cuando el

embalse esta en al NAN o con niveles próximos; esta manifestación tiene

lugar igualmente en la zona afectada por las fisuras y coincidente con lo

explicado acerca del núcleo.

o Deslizamientos en tres sectores del dique, precedidos de fisuras y

periodos de lluvia continuada.

o Deficiente compactación del dique y empleo de materiales pasados de

humedad según el informe ingeniero geológico emitido por la ENIA, a

partir de investigaciones realizadas en el lugar.

Con los elementos anteriormente señalados, parte de los cuales constan en

investigaciones ya realizadas, así como los resultados de las observaciones

sistemáticas de control técnico de la obra y las nuevas investigaciones que se ejecutan,

(ver anexo 7) se hace necesario conocer debido a la importancia de esta obra:

1. Orígenes, magnitud, evaluación de las consecuencias y medida para la solución

del fenómeno que existen en los objetos de obra de dicha presa.

2. Vincular estas patologías con los fenómenos manifestados anteriormente en la

presa.

3. Definir los problemas detectados en cuanto a la seguridad de la presa, hasta que

se ejecuten los trabajos que se recomienden.


47

2.3.1. Patologías detectadas en los diferentes objetos de obra

o Aliviadero automático con sección vertedora de cimacio

Características principales: El aliviadero esta diseñado para un gasto máximo de

2400m³/s para el 0.5% de probabilidad, del tipo lateral con trinchera de 140 m de ancho

estando conformado por un delantal de hormigón asfáltico de 40 m de longitud, vertedor

de perfil con vacío practico de 7.3 m y rápida con taludes 1:3 de 1.0 m de espesor y

longitud variable contando con calas de drenaje. Además las cargas sobre el vertedero

son de 3.68 m.

Figura 2.2. Patología en la rápida del aliviadero.

Elemento: Rápida del aliviadero (figura 2.2).

Descripción: Desgaste de la superficie de hormigón, creando zonas con cambio de

coloración (blancas), debido a la perdida de la capa de cemento quedando los áridos al

descubierto, zonas pulidas, que pueden agravarse con el paso del tiempo.

Hipótesis del origen: Abrasión superficial producida por el agua en movimiento que

crea succión y arrastre de áridos. Es un daño típico en aliviaderos y desagües en

presas, lechos de esclusas, canales en plantas depuradoras, etc. Las acciones

asociadas a esfuerzos que provocan un desgaste de la superficie expuesta del

hormigón se pueden agrupar como fenómenos de abrasión y desgaste, aunque más

específicamente se considera abrasión cuando hay una acción mecánica por arrastre

de sólidos sobre la superficie (Drizoro, 1997).

Patología: Abrasión y desgaste.


48

Figura 2.3. Patología en el paramento vertical del aliviadero.

Elemento: Paramento vertical del aliviadero (figura 2.3).

Descripción: Grietas horizontales provocadas por la retracción del hormigón causadas

por la no presencia de juntas de dilatación en la construcción del aliviadero.

Hipótesis del origen: Cuando se funde un volumen muy grande de hormigón es

necesario usar refrigeración en su fabricación, para cuando fragüe el hormigón baje la

temperatura y no se produzca esta retracción por diferencias de temperatura, en este

proceso se le añade hielo.

Patología: Retracción del hormigón por temperatura

Figura 2.4. Patología en la Cresta del cimacio

Elemento: Cresta del cimacio (figura 2.4).

Descripción: Perdida del recubrimiento, arrancamiento, abrasión y desgaste de esta

superficie debido al movimiento del agua por encima de la cresta.


49

Hipótesis del origen: Debido los movimientos de las aguas por el llenado del embalse

o simplemente subida de los niveles de agua, unido a la acción de los vientos, que

generan empujes de aguas contra el cimacio provoca que exista constantemente

variaciones de temperatura en la cresta lo que permite la caída del recubrimiento en

dicho lugar.

Patología: Abrasión y desgaste

Abrasión superficial producida por el arrastre de áridos. Es un daño típico en aliviaderos

y desagües en presas, lechos de esclusas, canales en plantas depuradoras, etc.

Las acciones asociadas a esfuerzos que provocan un desgaste de la superficie

expuesta del hormigón se pueden agrupar como fenómenos de abrasión y desgaste,

aunque más específicamente se considera abrasión cuando hay una acción mecánica

por arrastre de sólidos sobre la superficie (Drizoro, 1997).

Figura 2.5. Patología en la rápida del cimacio

Elemento: Rápida del cimacio (figura 2.5).

Descripción: Presencia de organismos vivos debido a las grietas y a la humedad que

están presentes en la rápida del cimacio y en el canal de salida.

Hipótesis del origen: Debido a las grietas existentes en la rápida y en el canal de

salida del cimacio provocado por la retracción del hormigón favorecido por la carencia

de juntas de dilatación afloran estos microorganismos.

Patología: presencia de vegetación oportunista, plantas y microorganismos.


50

Figura 2.6. Patología en el aletón derecho del aliviadero.

Elemento: aletón derecho del aliviadero (figura 2.6).

Descripción: Presencia de grietas horizontales y longitudinales en el aletón derecho

del aliviadero que abarcan casi toda el área del muro con una longitud de hasta 2.5m y

espesor máximo de aproximadamente 2.0cm.

Hipótesis del origen: Estas grietas pueden haber sido provocadas por un vertido

inadecuado del hormigón, ejecución inadecuado de las juntas de trabajo, mala

selección de los áridos, relación agua/cemento y principalmente la presencia de altas

temperaturas en el fraguado del hormigón.

Patología: Retracción del hormigón por temperatura o tecnología y ejecución del

hormigón.

Figura 2.7. Patología en el aletón derecho del aliviadero


51

Elemento: Aletón derecho del aliviadero (figura 2.7)

Descripción: Presencia de coqueras en el hormigón que pueden provocar la corrosión

de la armadura de acero por el paso del agua y del dióxido de carbono al interior del

muro

Hipótesis del origen: Mala ejecución del hormigón; compactación, colocación, etc.,

procesos químicos.

Patología: Disgregación o problemas de ejecución

Es un tipo de deterioro que se manifiesta por señales de pudrición o corrosión

superficial del hormigón como la toma de agua y aliviadero de las presas de tierra,

llegando a provocar la degradación de sus capas exteriores, erosionándose o perdiendo

determinadas cantidades de la pasta de cemento en polvo, provocando rugosidades

superficiales, porosidad y oquedades que se convierten en elementos facilitadores de la

penetración de agentes perjudiciales y devienen en problemas de mayor gravedad para

el material. La disgregación tiene, por lo general, una causal de origen químico, por

procesos de carbonatación, la acción de sulfatos, ácidos y otras sustancias

deteriorantes del hormigón (Olivera, 2004).

o Toma de agua # 1 (Cortina principal)

Características principales: La toma de agua esta diseñada para un gasto máximo de

35m³/s del tipo torre de control y galería de una celda de 2.5x3.2m, compuesta por un

cajón de entrada, bocina, tramo a presión, torre de control, 4 tramos de galería de

inspección y pozo amortiguador con una longitud total de 164.9m. Cuenta para el cierre

con una compuerta de emergencia plana de 2.5x3.2m y con una compuerta de trabajo

de segmento de igual dimensión. Las rejillas están colocadas en la bocina de entrada.


52

Figura 2.8. Patología en la toma de agua.

Elemento: Columna de hormigón en la compuerta plana (figura 2.8).

Descripción: Por problemas de agrietamientos en las columnas hubo que reforzarlas

con una jaula de acero.

Hipótesis del origen: Mala ejecución del sistema de izaje de la compuerta.

Patología: Fallo estructural de las columnas.

o Toma de agua # 2 (Alacranes-Pavón)

Características principales: La misma esta diseñada para un gasto de 15.0 m³/s a

través del Canal Alacranes-Pavón del tipo torre de control y galería de 2 celdas de

(2.0x2.0) m, compuesta por un cajón de entrada, torre de control, 6 tramos de galería de

inspección y cajón de salida con una longitud total de 92.5m. Cuenta para el cierre con

2 compuertas de emergencia y 2 de trabajo de (2.0x2.0) m así como 2 rejillas de

(3.4x2.0) m.

Figura 2.9. Patología en la pila y columna de la toma.


53

Elemento: Pila de la toma de agua (figura 2.9).

Descripción: Perdida del recubrimiento en la superficie de la pila quedando expuestos

los aceros a la intemperie con oxido y daños superficiales de los elementos metálicos

expuestos provocando la corrosión de los mismos.

Hipótesis del origen: Problemas de maniobra debido a la mala tecnología y ejecución

de los trabajos.

Patología: Corrosión del acero de refuerzo.

Este desprendimiento del recubrimiento del hormigón provoca que reaccione el oxigeno

y la humedad del aire con el acero de refuerzo permitiendo que se forme en la

superficie del acero una película de oxido que con el tiempo disminuye la sección del

acero posibilitando la perdida de resistencia de la estructura.

Fig.2.10: Patología en la columna de la toma de agua.

Elemento: Columna de la toma de agua (figura 2.10).

Descripción: Presencia de coqueras en el hormigón que pueden provocar la corrosión

de la armadura de acero por el paso del agua y del dióxido de carbono al interior del

muro

Hipótesis del origen: Mala ejecución del hormigón; compactación, colocación, etc.

procesos químicos.

Patología: Disgregación o problemas de ejecución


54

Es un tipo de deterioro que se manifiesta por señales de pudrición o corrosión

superficial del hormigón como la toma de agua y aliviadero de las presas de tierra,

llegando a provocar la degradación de sus capas exteriores, erosionándose o perdiendo

determinadas cantidades de la pasta de cemento en polvo, provocando rugosidades

superficiales, porosidad y oquedades que se convierten en elementos facilitadores de la

penetración de agentes perjudiciales y devienen en problemas de mayor gravedad para

el material. La disgregación tiene, por lo general, una causal de origen químico, por

procesos de carbonatación, la acción de sulfatos, ácidos y otras sustancias

deteriorantes del hormigón (Olivera, 2004).

o Cortina principal

Características: La cortina tiene una longitud de 1600 m, una altura máxima de 24.5 m

y su cota de corona es 38,6 m, con parapeto. Es una presa heterogénea de material

gravoso con núcleo de arcilla, con talud aguas arriba 1:3 y una berma en la cota 28,20

m, revestido con losa de hormigón y rajón por debajo de la berma, el talud de aguas

abajo es 1:2,5 con una berma en cota 28 m.

En la margen derecha tiene un dique de 1300 m de longitud y una altura máxima de 12

m, con taludes 1:2,5 aguas arriba y aguas abajo. Posee un drenaje de filtros recostado

en toda su longitud desde la berma hasta 4m del contacto del talud con el terreno

natural. El talud mojado esta enlosado desde la estación 4+74 hasta la 11+26 a todo lo

largo del enlosado en la cresta superior existe un parapeto de hormigón fundido “in situ”

de 1.0m de alto. El talud seco esta recubierto de capa vegetal con césped.

Figura 2.11. Cortina principal


55

Elemento: Pie del talud aguas abajo (figura 2.11).

Descripción: Procesos de filtración que se manifiestan en toda la longitud de la cortina

en la zona comprendida entre el pie talud y el cauce del río aguas abajo.

Longitudinalmente comprende toda la cortina.

Las filtraciones se manifestaban en zonas pantanosas y lagunas en depresiones del

suelo que ocuparon antiguos préstamos toda esta zona fue desde entonces objeto de

trabajos de drenaje y construcción de un sistema de obras hidrométricas para la

medición sistemática de los caudales que abarcaron inicialmente 10 puntos entre las

estaciones 2+00 y 13+00. .

Esta zona se caracteriza por alto grado de saturación con encharcamiento en algunos

puntos aunque no se ha apreciado superficialmente surgencias concentradas,

posteriormente se construyó drenaje al pie de talud no apreciándose flujo para su

medición. Por la fecha en que se hace referencia a la veta húmeda se infiere que desde

los primeros llenados de la Presa se ha estado manifestando en la misma zona y con

características similares siempre que el embalse alcanza o sobrepasa el NAN así como

su desaparición para niveles próximos a la cota 32,00 en su movimiento descendente.

La presencia de la humedad se intensifica para períodos relativamente prolongado con

niveles por encima del NAN.

Hay que significar que los mayores gastos medidos corresponden a la obra hidrométrica

No. 3 (vertedor triangular) donde se registraron inicialmente gastos de hasta 25 l/s. De

estos gastos la mayor cuantía se manifestaba a partir de grifones en la zanja de drenaje

al pie talud entre las estaciones 4+00 y 5+00 lugar donde aflora una formación

geológica de alto coeficiente de filtración.

Hipótesis del origen: Los mayores gastos ocurrían entre las estaciones 4+00 y 5+00,

tenían lugar en la base a través de una roca caliza. Creemos que realmente es así, y el

origen principal de este tipo de manifestación tiene lugar por la base, específicamente a

través de la caliza agrietada que hasta alrededor de la estación 6+00 se coloca directa

o muy cerca de la superficie del terreno natural, sobre la cual no se tomó medida

alguna, con permeabilidades detectadas por la investigación anterior mayores de 1.0

m/d, incluso llegaron a 4.0 m/d.


56

En el resto de la cortina los materiales que pudieran ocasionar filtraciones altas

aparecen a profundidades mayores, están cubiertas por materiales de baja

permeabilidad que han servido como “delantal” natural, por lo que las manifestaciones

son mucho menor.

En sentido general estas filtraciones han disminuido y no han traído mayores

consecuencias a la estabilidad. Los materiales depositados en el espaldón son muy

heterogéneos, ocasionando dispersión en las propiedades y en el comportamiento ante

la presencia del agua y de los fenómenos del intemperismo.

Patología: Filtraciones

Las filtraciones en sentido general ocurren desde fecha muy temprana en la presa,

prácticamente desde los inicios de su explotación, existen otros lugares a los cuales se

les nombra como ”surgimiento de zonas de humedad”, ya que los gastos no son

medibles debido a que no llegan a provocar volúmenes de consideración sino zonas de

saturación, sin cauces definidos. Con respecto a los piezómetros creemos que se debe

realizar un estudio más detallado de su comportamiento, ya que se cuenta con una red

de observación de 20 años y con estudios detallados de la cortina y la base.

Figura 2.12. Cortina principal

Elemento: Talud aguas abajo (figura 2.12).


57

Descripción: Entre las estaciones 14+00 y 16+00 se observaron zonas de humedad en

la parte inferior del talud seco desde la toma de agua hasta 4-5 m de altura en el estribo

derecho. Las mismas han continuado manifestándose siempre que el embalse

permanece con niveles superiores al NAN durante algún tiempo, inicialmente se midió

esta filtración pero los gastos observados fueron inferiores

a 1 l/s.

Hipótesis de origen: Estas filtraciones tienen lugar a través de la roca caliza que esta

agrietada en la base, la cual fue colocada directa o muy cerca del terreno natural, sobre

lo cual no se tomo medidas con las permeabilidades detectadas.

Patología: Filtraciones

Figura 2.13. Patología en la red de piezómetros de la cortina principal.

Elemento: Piezómetros (figura 2.13).

Descripción: En 1987 fue instalada una red piezométrica compuesta por 51

piezómetros en 16 secciones transversales y 3 líneas longitudinales que abarcan

corona, berma y pie talud. Esta red tiene 7 piezómetros averiados que están fuera de

servicio. Las observaciones se realizan cada 5 días. Las calas piezométricas fueron

objeto de investigación Ingeniero-Geológicas antes de instalarse el piezómetro así

como les fue calculada teóricamente la curva piezométrica de cada sección.


58

Durante todo este período de explotación ha podido apreciarse que para niveles del

NAN sólo cuatro piezómetros tienen observaciones de la curva real por encima de la

teórica (tabla 2.3).

Tabla 2.3. Relación de piezómetros existentes que han registrado valores picos de la cota de la Línea de Corriente Superior por encima de la cota del núcleo.

Número Sección Estacionado Línea

5 II 3+80 Corona

19 VI 6+60 Corona

43 XIII 12+80 Berma

48 XV 14+20 Pie talud

Hipótesis del origen: Problemas de mantenimiento o de ejecución

Patología: Piezómetros averiados que no funcionan actualmente

Figura 2.14. Cortina Principal.

Elemento: Corona y talud aguas abajo respectivamente (figura 2.14).

Descripción: Agrietamiento en el talud seco de la cortina principal que se va a

manifestar entre las Est. 10+20 y 11+85 y alcanza verticalmente alturas entre 2 y 6 m

sobre la berma (cota 28,00 m).


59

Esta grieta se apreció de forma continuada en toda su trayectoria; y en calicata

realizada en un punto donde su abertura alcanzaba 150 mm, se pudo confirmar su

presencia en una profundidad de 2 m y aún continuaba. Las mismas fueron reparadas

en la primera decena de junio y un mes después se produjo el llenado total del embalse

con las lluvias del huracán “Dennis” sin que ocurriera otra incidencia.

Hipótesis de origen: El período de Abril a Mayo de 2005 es coincidente con los niveles

más bajos del embalse en su historia (cota 25,55 m), debido al largo periodo de sequía

lo que provoco que en la corona y en el talud aguas abajo entre las estaciones 10+20 y

la 11+85 surgieran algunas grietas horizontales bastante profundas.

Patología: Agrietamientos.

Figura 2.15. Cortina Principal.

Elemento: Cortina de tierra (ver figura 2.15).

Descripción: Roca reblandecida por el efecto de los agentes meteorizantes del agua o

ciclos de humedecimiento y secado, por el efecto de las temperaturas y efecto

mecánico por la erosión de las olas.

Hipótesis del origen: Meteorización de la roca por la baja calidad y no ser una roca

idónea para esa protección

Patología: Deterioro de la protección con rajón del talud mojado


60

Conclusiones parciales del capítulo.

1. Se aplica y valida una propuesta de metodología para la inspección y tratamientos a

las patologías de estas obras hidráulicas, desglosada y explicada por etapas, que

puede emplearse para cualquier otra obra en específico, poniendo al servicio de la

empresa este documento, con el cual no contaban para inspeccionar de forma

periódica sus embalses.

2. La obtención de una descripción de los estados patológicos, definiendo en cada

caso el elemento estructural afectado, la descripción de la anomalía y la hipótesis

del origen, llegando a establecer en varios casos patologías definidas.

3. Crea una guía de identificación y asociación de las patologías personalizadas del

embalse objeto de estudio para facilitar la inspección a personal no versado en

materias de la ingeniería civil ante la presencia de nuevos afloramientos patológicos.

4. La patología de mayor interés detectada en el aliviadero fueron las fisuras en el

aletón derecho y en el cimacio.

5. En la cortina el principal problema son los agrietamientos detectados en la corona y

pie de talud en los periodos de larga sequia, los cuales necesitan de un largo y

detallado proceso de observación.

6. En las tomas de agua sobresalen los problemas de corrosión del acero de refuerzo

de los elementos estructurales debido a los agentes de intemperismo, aunque en el

estado en que se presentan no son de mayor interés.

Capítulo III. Análisis de los resultados

62


Para darle respuesta ingenieril a las principales patologías detectadas en el Embalse

Alacranes, antes mencionadas en el capítulo 2 se realizó la modelación de una sección típica

de la cortina donde se ponen de manifiesto los problemas de filtraciones y fisuraciones

evidenciados con anterioridad. Para ello se utilizaron los programas SIGMAW, SLOPEW y

SEEPW del paquete de análisis GEO-SLOPE.

3.1. Modelación de la cortina en la sección de proyecto

Para la realización del modelo de la cortina de tierra en la sección correspondiente al

estacionado 8+50 se realizó un estudio de sensibilidad de malla concebida para una

discretización de 1m y 2.5 m y 5 m; donde los valores obtenidos no diferían en forma

significativa unos de otros, por lo que se decidió trabajar con una densidad de malla de 2.5 m

debido a que el mallado de 1m a pesar de ser más preciso y discretizar mejor los elementos,

requiere de máquinas más potentes para trabajar dado el alto costo computacional durante el

proceso de cálculo en cada corrida y el largo tiempo de solución al problema de análisis.

Posteriormente se procede a realizar un segundo momento donde se analizan si se estaban

generando concentración de tensiones en el terraplén para detectar si existían zonas de

tracción en el mismo, dado que por la naturaleza de los suelos no poseen resistencia a

esfuerzos de tracción.

En un tercer instante se analizó la curva de filtración y las redes de flujo dentro de la cortina.

Además se trabajó mediante el SLOPEW los posibles problemas de estabilidad de taludes en

la sección de la cortina para verificar los agrietamientos existentes a partir de la información

contenida en los Informes de Control Técnico del Embalse (Lázaro G., 1988, Lázaro G.,

1989, Lázaro G. and Sánchez, 1989c, Lázaro G. and Sánchez, 1989d, Lázaro G. and

Sánchez, 1989e, Lázaro G. and Sánchez, 1989a, Lázaro G. and Sánchez, 1989b, Lázaro

G. and Sánchez, 1990e, Lázaro G. and Sánchez, 1990c, Lázaro G. and Sánchez, 1990d,

Lázaro G. and Sánchez, 1990b, Lázaro G. and Sánchez, 1990a, Lázaro G. and Sánchez,

1990f, Lázaro G. and Sánchez, 1991c, Lázaro G. and Sánchez, 1991a, Lázaro G. and

Sánchez, 1991b, Ramos G. and Pérez Á., 2007, Ruiz S. et al., 2009b, Ruiz S. et al.,

2009a, Ramos G., 2010c, Ramos G., 2010a, Ramos G., 2010b, Monteagudo P. and Pérez


63

Á., 1998, Monteagudo P. and Pérez Á., 2003, Monteagudo P. and Pérez Á., 2005,

Monteagudo P. and Pérez Á., 2008). Los resultados recolectados en campo fueron

comparados con los ensayos virtuales realizados a la sección de proyecto y serán mostrados

a continuación obteniendo conclusiones a partir de los correspondientes análisis y técnicas

empleados.

Las hipótesis asumidas para la aplicación del MEF en el cálculo de los esfuerzos, las

deformaciones, la estabilidad de taludes y filtraciones fueron las siguientes:

I. Existen condiciones de deformación plana, lo cual implica:

a) La composición y distribución de materiales en cada zona de la presa son isotrópicos,

linealmente elásticos y con módulo de Young y relación de Poisson iguales en tensión y

compresión.

b) Las fuerzas que actúan en la presa son las producidas por su peso propio y por la

columna de agua.

c) El peso de los materiales de la presa se aplica en un solo incremento.

d) No hay deslizamiento en el contacto entre las laderas y la cimentación de la presa, ni

entre los contactos entre zonas de diferentes materiales.

Al suponer que los materiales en la presa y su cimentación son linealmente elásticos, se

exageran los efectos que producen la configuración de las laderas y las demás

características de diseño. Sin embargo, la magnitud de los esfuerzos de tensión, la

geometría de las zonas de tensión y la localización de los esfuerzos máximos no son

básicamente diferentes cuando se comparan con los que se desarrollan en los terraplenes

reales (Armas N. and Horta M., 1987).

3.1.1. Chequeo de los desplazamientos en la sección de proyecto y real de la cortina

en la estación 8+50 en la presa Alacranes

Sección de proyecto de la cortina en la estación 8+50 en la presa Alacranes

La Sección Típica de Proyecto empleada para los ensayos virtuales realizados es mostrada

en la figura 3.1 así como la colocación de las condiciones de borde y restricciones de

movimiento impuestas al modelo


64

Luego de haber caracterizado física y matemáticamente el problema a investigar se realizó

un primer análisis del comportamiento de las deformaciones por peso propio para obtener los

valores máximos de deformación en las componentes verticales y horizontales. (Ver figura

3.2)

Figura 3.1. Sección de proyecto de la cortina de la presa Alacranes

Y

X

Figura 3.2. Representaciones gráficas de mayas deformadas (color rojo) y no deformadas (color negro) en contraste A y B en detalles.

B

A

NA

Y

X

Sección de Proyecto

Malla sin deformar

Malla deformada Sy= -0.78586m


65

La sección de proyecto fue corrida dando como resultado que el mayor desplazamiento

alcanzado está en la componente vertical y además es importante aclarar que el nivel de

agua está por debajo de la corona del núcleo en el presente análisis, con fin de simplificar el

fenómeno de retracción del suelo al sobre pasar la Línea de Corriente Superior la cota

máxima del núcleo. Donde, los resultados obtenidos fueron los siguientes:

Los vectores de desplazamientos (figura 3.3) representan la magnitud y la posición que va a

tener cada punto de la malla luego de actuar la carga impuesta por peso propio y la columna

vertical de agua, mostrando cómo va a quedar la sección de la cortina después de construida

y deformada. Principalmente el comportamiento de la corona como zona más critica ante los

fenómenos de tracciones internas y concentraciones de tensiones.Y

X

Nodos analizados

Figura 3.3. Representación gráfica de los vectores de desplazamientos de los nodos generados por el SIGMAW a partir de la geometría inicial.

Figura 3.4. Representación gráfica de los desplazamientos en la componente horizontal.

Y

X


66

Desplazamientos Horizontales (Min= -0.048612m Max= 0.12956)

Desplazamientos Verticales (Min= -0.78586m Max= 0.01072)

En las figuras 3.4 y 3.5 se evidencia que los mayores desplazamientos en la componente

horizontal se concentran en el espaldón aguas abajo como consecuencia de las presiones

ejercidas por el agua y del peso propio de la misma estructura, no siendo así en los

desplazamientos de la componente vertical pues estos son distribuidos de forma escalonada

en función de la profundidad del corte hecho al terraplén (ver figura 3.6 A y B).

A B

Figura 3.6. Representación gráfica de los desplazamientos en la corona, A-Horizontales, B-Verticales y sus valores correspondientes.

Y

X

Figura 3.5. Representación gráfica de los desplazamientos verticales en la cortina.

Nodos analizados


67

Teniendo en cuenta de que las mayores deformaciones son evidenciadas en la corona, se

procede a realizar un estudio más detallado de esta parte de la cortina por lo que son

graficados los valores de desplazamiento2 obtenidos que a la vez son los valores esperados

o predichos como máximos valores admisibles para el diseño de la estructura (ver figura 3.6

A y B).

Sección real de la cortina en la estación 8+50 en la presa Alacranes

La Sección Real empleada para los ensayos virtuales realizados, es mostrada en la figura

3.7; así como las condiciones de borde y restricciones de movimiento impuestas al modelo

con todos los valores reales tanto físicos como geométricos compilados de las informaciones

de campo.

Figura 3.7. Representación gráfica de la Sección Real de la cortina en la estación 8+50.

Figura 3.8. Representaciones gráficas de mayas deformadas (color rojo) y no deformadas (color negro) en contraste.

2 El origen de referencia es el primer nodo de izquierda a derecha.

Malla sin deformarMalla deformada

Sy= -0.80795m

Y

X

Y

X


68

El esquema (figura 3.8) representa la posición que ocupa la malla después de ubicadas las

cargas reales que actúan sobre la cortina, donde las deformaciones máximas son medidas

en la corona, con los vectores de desplazamientos (figura 3.9) y sus isolíneas por campos

(figura 3.10).

Figura 3.9. Representación gráfica de los vectores de desplazamientos de los nodos generados por el SIGMAW a partir de la geometría inicial.

Figura 3.10. Representación gráfica de los desplazamientos en la componente horizontal.

La figura 3.10 muestra un incremento de los desplazamientos negativos aguas arribas del

talud seco, mientras que en el talud mojado los desplazamientos son moderados a lo largo

de toda la sección, por lo que se genera en el centro del núcleo una zona de tracciones que

pueden provocar agrietamientos que se reflejen en la corona a partir del desplazamiento que

posee el núcleo con respecto a la corona. No siendo así en los desplazamientos verticales

que son de forma escalonada en toda la estructura (figura 3.11).

Nodos analizados

Y

X

Y

X


69

Figura 3.11. Representación gráfica de los desplazamientos en la componente vertical

Luego de ser analizados los desplazamientos verticales, se aprecia que estos son menores

en el núcleo y aumentan en la vertical hasta la corona. Por lo que se realiza una

representación de los desplazamientos de los nodos en función de la profundidad desde la

corona hasta el centro borde superior del núcleo (figura 3.12 y 3.13).

Desplazamientos horizontales (Min= -0.08908 m Max= 0.12563 m)

Desplazamientos verticales (Min= -0.807953 m Max= 0.009135 m)

Figura 3.12. Representación gráfica de los desplazamientos horizontales (A) en la corona y los valores correpondientes a cada nodo (B).

Nodos analizados

Y

X

A

B


70

Figura 3.13. Representación gráfica de los desplazamientos verticales (A)en la corona los valores correpondientes a cada nodo (B).

Tabla 3.1. Representación numérica de los valores máximos y mínimos de desplazamientos correspondientes a las secciones objeto de estudio3.

Deformaciones

Sección de Proyecto Sección Real

Valor mínimo Valor máximo Valor mínimo Valor máximo

Horizontales -37.2085 277.614 -30.6578 277.655

Verticales -12.4057 615.111 -15.8823 619.658

Teniendo en cuenta los valores de máximos y mínimos para identificar los límites admisibles

de desplazamientos en las componentes vertical y horizontal de la estructura se aprecia una

reducción de 1.0714 cm y 6.591 respectivamente, lo cual implica un vector resultante límite

para los desplazamientos de magnitud 6.50 cm máximo según el estado actual de la cortina

del embalse.

Además de los valores obtenidos por las respuestas de los modelos en la imposición de las

cargas se realiza una estimación de deformación para un periodo de 20 años que se

compara con los datos geodésicos de las mediciones realizadas por ciclos (tabla 3.2, figura

3.14), así como el cumplimiento de las predicciones en valores porcentuales (figura 3.15).

3 Las unidades de medidas de las magnitudes es en centímetros.

A B


71

Tabla 3.2. Comparación numérica de las deformaciones del Embalse “Alacranes”

según pronóstico de diseño y mediciones geodésicas realizadas a las marcas de

control correspondientes a la sección 8+50.00

Ciclos DiseñoReal

Medido %0 0 0 01 7,159 7,35 102,672 10,376 10,26 98,883 11,821 1,39 11,764 12,47 2,29 18,365 12,762 1,13 8,856 12,893 6,75 52,357 12,952 7,64 58,998 12,979 2,51 19,349 12,991 3,8 29,2510 12,996 0 0,0011 12,998 0 0,0012 12,999 0 0,0013 13 0 0,0014 13 0 0,0015 13 0 0,0016 13 0 0,0017 13 0 0,0018 13 3,81 29,3119 13 8,93 68,6920 13 0 0,00

Nótese que en las celdas en las que no existen datos de mediciones geodésicas, es debido a

que en los Archivos Técnicos de la entidad no se encontraban las relaciones de documentos

en los que se referencia a dichos ciclos por lo que es limitado la posibilidad de análisis

histórico del comportamiento espacio temporal de las deformaciones en la cortina del

embalse.


72

Figura 3.14. Representación gráfica del comportamiento histórico de las deformaciones predichas para el diseño y las mediciones geodésicas.

Porciento de cumplimiento de las deformaciones

0

20

40

60

80

100

120

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21

Ciclos de mediciones geodésicas

Val

or

po

rce

ntu

al

%

Figura 3.15. Representación gráfica del cumplimiento porcentual de las deformaciones predichas para el diseño respecto a las mediciones geodésicas.

Chequeo de las tensiones en la sección analizada

El análisis de las tensiones se realizó en sus dos variantes: una horizontal abarcando todos

los puntos de la corona y la otra vertical tomando como referencia el eje de la vía para

obtener una mayor información en la sección de estudio.

Comparación del comportamiento histórico de las deformaciones del embalse

02468

101214

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Ciclos de mediciones geodésicas

De

form

ac

ion

es

en

cm

Diseño

Real Medido


73

Figura 3.16. Representación de las Tensiones Totales en la componente horizontal para la sección de proyecto.

Esta representación gráfica (figura 3.16) muestra los valores de tensiones totales

horizontales en función de la distribución vertical en el interior de la estructura.

Los valores de tensiones horizontales (ver figura 3.17) correspondientes a la corona son

mostrados en la figura 3.18 A y B, las cuales muestran un desplazamiento de las tensiones

entre la corona y el centro del núcleo dadas por la no alineación existente entre ambas

partes.

Figura 3.17. Representación de las Tensiones Totales en la componente horizontal para la sección real.

Y

X

Y

X


74

Figura 3.18. Representación gráfica de los valores de tensiones en los puntosanalizados que conforman la corona del modelo y sus correspondientes valores para la sección de proyecto (A) y la real (B).

Figura 3.18. Continuación.

Tensiones totales de Proyecto en X (Min= -37.2085 Max= 277.614).

Tensiones totales Real en X (Min= -30.6578 Max=277.655). Los mayores valores de tensiones se observan en el centro del núcleo.

B

A


75

Las mayores tensiones ocurren en el eje de la presa principalmente en la zona del núcleo4

como es de esperar por el propio peso de la estructura (figura 3.19 y 3.20).

En el análisis de los valores de las tensiones verticales con respecto a la profundidad, se

pueden apreciar como disminuyen desde la superficie de la sección y a su vez aumentan en

dirección al núcleo; donde se registran los valores máximos de forma escalonada (ver figura

3.21 y 3.22).

Figura 3.19. Representación gráfica de los valores de tensiones en la componente vertical para la sección de proyecto.

Figura 3.20. Representación gráfica de los valores de tensiones en la componente

vertical para la sección real 4 Nótese que esto ocurre principalmente en la zona donde coincide la alineación de la corona con la parte superior del núcleo, siendo reducida esta área bruscamente en la zona donde no existe dicha alineación.

Y

X

Y

X


76

En las figuras 3.21 y 3.22 se representan los valores de tensiones verticales y el gráfico con

respecto a la profundidad, ubicados en orden ascendente desde el núcleo hacia la corona.

Figura 3.21. Representación gráfica de los valores de tensiones verticales (A) en los puntos analizados (B) para la sección de proyecto.

Figura 3.22. Representación gráfica de los valores de tensiones verticales (A) en los

puntos analizados (B) para la sección real.

Tensiones totales de Proyecto en Y (Min= -12.4057 Max=615.111). Los mayores valores de tensiones se observan en el centro del núcleo.


77

Tensiones totales Real en Y (Min= -15.8823 Max=619.658). Los mayores valores de tensiones se observan en el centro del núcleo.

3.1.2. Análisis de la red de flujo en la sección de la cortina.

El objetivo del análisis de la Red de Flujo de la sección de proyecto es realizar el cálculo de

la Línea de Corriente Superior (LCS) para determinar el gasto de agua máximo que puede

filtrar el embalse por la zona de estudio para luego realizar una comparación con las de la

sección correspondiente después de construido el embalse. Para el cual se dispone de un

registro cíclico (Ramos G., 2010b, Ramos G., 2010a) de las mediciones de las filtraciones

realizadas al Vertedor # 3 que encausa todas las filtraciones desde la estación 5+00 a la

12+00.

Partiendo del modelo asumido (ver figura3.23) para la realización del ensayo virtual con las

condiciones iniciales impuestas, asumiendo la simplificación de que nunca la Línea de

Corriente Superior sobrepasa la cota máxima del núcleo; fenómeno este que si se ha

manifestado ante fuertes precipitaciones según los valores contenidos en los registros de

mediciones de lo piezómetros.

Fig. 3.23. Modelo geométrico de la cortina de la Presa Alacranes estación 8+50 con las

condiciones de frontera.

En la figura 3.24 se puede observar como la línea de corriente superior se introduce en el

núcleo de la cortina y refleja la filtración en el pie del talud, cuestión esta que a nuestra

consideración no es cierta; dado que no hay datos en los registros de explotación del

embalse que evidencien una sección mojada en el talud aguas abajo salvo en fuertes

periodos de lluvias prolongados, además se pueden precisar los valores de los gastos de

Y

X


78

agua que acumula la sección analizada en tres posiciones diferentes, (a la entrada, en el

medio de la cortina y en el pie del talud aguas abajo.

Figura 3.24. Representación grafica del calculo de la LCS y los valores de gasto de

agua en tres posiciones de la sección.

Al realizar los análisis de los gastos esperados para la sección de proyecto y la real se

decide comparar los máximos obtenidos para cada una de las secciones de estudio

contrastados a los registros promedios de las filtraciones del Vertedor #3 (ver figura 3.25)

que abarca una franja de 700.00m de ancho para el cual se obtienen los siguientes datos:

Límite máximo de Gasto para la sección de proyecto: 23.50 l/s

Límite máximo de Gasto para la sección real: 29.70 l/s

Y

X

Línea de Corriente Superior


79

Por lo que se observa que al estar muy por debajo los valores de filtraciones medidos en el

periodo de un año se aprecia que es poco permeable la estructura y no constituye un

problema de objeto a profundizar en el presente trabajo.

Figura 3.25. Representación gráfica de los gastos medidos en el periodo de un año en contraste con los valores gasto medidos en el vertedero #3.

3.1.3. Chequeo de estabilidad de taludes en la sección de la cortina

La seguridad de una masa de tierra contra falla o movimiento es lo que se llama estabilidad

y debe considerarse no solo en el proyecto de estructuras de tierra sino también en la

reparación y corrección de las que han fracasado. Las causas de los movimientos de las

masas de tierra pueden ser los movimientos de una gran masa de suelo a lo largo de una

superficie más o menos definida. En la mayoría de los casos la masa de tierra permanece

intacta durante las primeras etapas del movimiento, pero finalmente se deforma y rompe en

pedazos, a medida que el movimiento progrese. Este movimiento ocurre cuando la

resistencia al esfuerzo cortante del suelo es excedida por los esfuerzos cortantes que se

producen en una superficie relativamente continua.

Promedio mensual de los gastos medidos en el periodo 2009-2010

-0,302,705,708,70

11,7014,7017,7020,7023,7026,7029,70

Abril

Junio

Agosto

Octubr

e

Diciem

bre

Febre

roAbr

il

Meses

Niv

el d

e A

gu

a

Promediomensual

Límite máximo de Gasto Real

Límite máximo de Gasto Proyecto


80

Las causas de los movimientos de masas de tierra son difíciles de determinar, cualquier

cosa que produzca una disminución de la resistencia del suelo o un aumento de los

esfuerzos en el suelo, contribuye a la inestabilidad y deben tomarse en consideración. La

gravedad en la forma del peso de la masa del suelo y del agua que pudiera estar sobre ella,

es la fuerza principal que tiende a producir la falla, mientras que la resistencia al esfuerzo a

cortante del suelo es la principal fuerza resistente. Para hacer el análisis de estabilidad es

necesario tantear un gran número de posibles superficies de falla; la que tenga el factor de

seguridad menor será la superficie más crítica, esto es, la superficie en la cual es mas

probable que ocurra la falla (Sowers, 1985).

En condiciones corrientes de carga una presa de tierra debe tener un factor de seguridad

mínimo de 1.5; sin embargo, en condiciones extraordinarias de carga, como cuando se

proyecta para crecidas extraordinarias seguidas de descensos rápidos del nivel del agua, se

considera adecuado, corrientemente, un factor de seguridad de 1.2 a 1.25 (ver tabla 3.3 y

anexo 8)

Tabla 3.3. Criterios de diseño recomendados para los análisis de la estabilidad de lostaludes en presas de tierra.

Factor de seguridad SignificaciónMenor que 1.0 Inseguro

1.0 – 1.2 Seguridad dudosa

1.3 – 1.4Satisfactorio para cortes y

terraplenes, dudoso para presas1.5 o mayor Seguro para presas

El chequeo de la estabilidad de taludes en el Embalse “Alacranes” fue realizado en la sección

de estudio, tanto en el talud aguas abajo como en el de aguas arriba para definir si existía

algún problema de estabilidad en el diseño de la cortina. Para ello se trabajo con el software

SLOPEW, definiendo los factores de seguridad mínimos utilizando varios criterios (Bishop,

Janbu y Fellenius) que se corresponden con un fallo general de los taludes (ver figuras 3.26 y

3.27 para el diseño de proyecto y las figuras 3.28 y 3.29 para la sección real).


81

Figura 3.26. Representación gráfica de una falla general del talud aguas arriba por el método de cálculo Bishop y su correspondiente coeficiente de seguridad para la sección de proyecto.

El talud mojado no presenta problemas graves con la estabilidad ya que el factor de

seguridad obtenido es mayor que el mínimo exigido para este tipo de obras (1.55>1.5), pero

esta en los límites por lo que se asume que hubo un problema en la concepción del proyecto,

que pudo haber sido en la selección correcta de los suelos o problemas económicos. Pues

durante la revisión de los materiales que conforman la memoria constructiva se aprecia que

el talud de aguas arriba inicialmente fuese concebido con una cubierta de losas prefabricada

a todo lo largo de la estructura a diferencia del estado actual donde solo aproximadamente

un 50% de la cortina está cubierta por este elemento.

Figura 3.27. Representación gráfica de una falla general del talud aguas abajo por el método de cálculo Bishop y su correspondiente coeficiente de seguridad para la sección de proyecto.

Y

X

Y

X


82

En este caso para el talud seco se aprecia un leve problema con la estabilidad pues el factor

de seguridad calculado por el programa es mucho menor que el mínimo exigido acorde a lo

planteado en la tabla 3.3 (Proyecto=1.192<Diseño recomendado=1.5). Lo cual provoca una

pérdida del aprovechamiento de las fuerzas resistentes a cortante.

Figura 3.28. Representación gráfica de una falla general del talud aguas arriba por el método de cálculo Bishop y su correspondiente coeficiente de seguridad para la sección real.

Además de los problemas referentes a la no alineación del núcleo respecto a la corona

actúan de conjunto a la Línea de Corriente Superior cuando sobrepasa la cota máxima del

núcleo en tiempos de lluvia, seguido de fuertes periodos de sequia y en presencia de

posibles procesos de retracción del material que componen la estructura, por lo cual

aparecen las grietas mostradas en el capítulo 2 que actualmente se manifiestan desde la

estación 5+00 a la 12+50. Coincidiendo desde luego con la sección no cubierta por las losas

en el talud aguas arriba.

Y

X


83

Figura 3.29. Representación gráfica de una falla general del talud aguas abajo por el método de cálculo Bishop y su correspondiente coeficiente de seguridad para la sección real.

Partiendo además de los valores numéricos adicionales establecidos para el cálculo del

coeficiente de seguridad para los diseños de un embalse (Álvarez G., 1998) en la tabla 3.6

se evidencia que el diseño de la estructura tanto aguas arriba como aguas abajo a tener en

cuenta era de esperar una cubierta total con losas en el talud de aguas arriba permitiendo en

este caso reducir notablemente el talud de la estructura.

Tabla 3.6. Resultados numéricos de los Coeficiente de seguridad adicional en el

diseño de embalses.

Tipo de obras de tierra. s

Para taludes de presas de categoría I (base: roca H > 100m; base: suelo, H > 50m

1.00

Para taludes de presas de categoría II (base: roca 50<H100; base: suelo 25<H50

0.95

Para taludes de presas de categoría III(base: roca 20<H 50; base: suelo 15<H25

0.90

Para taludes de presas de categoría IV(base: roca H 20m; base: suelo, H 15m

0.85

Para taludes de terraplenes y cortes (H 30m) 0.90Para taludes de terraplenes y cortes (H < 30m) 0.80

Y

X


84

Nótese que el factor de seguridad obtenido para la sección real aumenta de 1.192 a 1.205

en el talud aguas arriba, por lo que se asume como una modificación al proyecto original

dado que por problemas de financiamiento no se pudo lograr el total de losas a emplear en el

talud aguas arriba, cuyo factor disminuye en 0,03 unidades respecto a la de proyecto.

Conclusiones parciales del capítulo

A partir de los análisis realizados en el presente capítulo se arriba a las siguientes

conclusiones parciales:

1. En el chequeo de los desplazamientos se aprecia que han sido moderados con

valores máximos en los primeros 3 ciclos, siendo más estables en los siguientes, en

correspondencia a las variaciones de los niveles de agua que ha presentado el

embalse durante los periodos de lluvia a lo largo de su explotación.

Pues lo valores de deformaciones estructurales de las mediciones geodésicas

realizadas a la marcas de vigilancia técnica se cumplen en un 68% máximo en los

ciclos más recientes, lo cual no constituye riesgo alguno para la obra.

2. El comportamiento de las tensiones en el interior de la estructura es aceptable, no

siendo así en el talud aguas abajo donde se aprecia una zona pequeña de aumento

de tensiones por el cambio de pendiente. Áreas idóneas para crear zonas de tracción

que por coincidencia es donde físicamente aparecen las grietas antes mencionadas.

3. Los datos registrados para los gastos esperados en la cortina del embalse son muy

por debajo de los previstos para la estructura por lo que no se presentan problemas de

filtraciones.

4. Se puede plantear que los taludes (aguas arriba y aguas abajo) son prácticamente

estables. Con las recomendaciones de que al realizar las variaciones del proyecto y

no cubrir totalmente la estructura con losas prefabricadas en el talud aguas arriba y

poner en su lugar un enrocado, se afecta negativamente el coeficiente de seguridad

para el talud de aguas abajo y crea las condiciones físico-mecánicas para la aparición

de las grietas en la corona y en el espaldón seco de aguas abajo.

Conclusiones

86

Conclusiones

Luego de haber desarrollado la presente investigación hemos podido arribar a las siguientes

conclusiones:

1. Mediante la caracterización del estado del arte del tema en cuestión se pudo definir

con exactitud las tendencias fundamentales que necesitaban ser desarrolladas en

aras de la investigación para una mejor comprensión durante el desarrollo de la

misma; pues se exponen características, criterios, condiciones y especificaciones que

facilitan los caminos de la investigación aplicada a instalaciones estructurales

hidráulicas.

2. Se alcanzó establecer una identificación de las líneas de modelación desarrolladas en

el país como precedente para la presente investigación.

3. La aplicación de una metodología existente para la identificación de los procesos

patológicos que afloran en una obra real (Embalse Alacranes), en los procesos previos

de inspección y mantenimiento del complejo hidráulico.

4. La obtención de un Catálogo de Patologías personalizado de la obra objeto de estudio

con características, causas y posible solución de las mismas, como principal material

resultante; que acumula todo el trabajo realizado por la empresa y los centros de

investigaciones universitarios en el embalse que le permite a la Empresa de Recursos

Hidráulicos tener un control verídico de esta obra como referencia de aplicación para

los demás embalses del territorio.

5. Se caracterizan los problemas de filtraciones y agrietamientos ocurridos hasta la

actualidad en el Embalse, a través de un estudio de modelación de la cortina y la

estabilidad de los taludes de la presa, estableciendo comparaciones entre la sección

de proyecto y la real, mediante un control estadístico de ambos problemas y su

repercusión en la vida útil de la misma al presentarse significativas variaciones en los

factores de seguridad del talud agua abajo.

87

88

Recomendaciones

89

Recomendaciones

Teniendo en cuenta los aspectos simplificados y no abordados por la presente investigación

se recomienda lo siguiente:

1. Analizar la posibilidad de reparar las grietas en el aliviadero, dada la necesidad de un

material aglomerante especial que escasea y la viabilidad de sustituirlo por otro

tradicional y menos costoso con resultados favorables a la estructura.

2. Aprovechar el período seco y demoler el aletón derecho del aliviadero para su

posterior reconstrucción ante la posible falla por un golpe de agua en las avenidas del

tiempo de lluvia.

3. Acometer la reparación de los piezómetros en mal estado para el correcto

funcionamiento de la red de monitoreo de la Línea de Corriente Superior.

4. Continuar las observaciones sobre el talud seco en los períodos en que el embalse

comienza a aliviar para determinar con exactitud la presencia de las betas húmedas.

5. En posteriores trabajos se hace necesario emplear maquinas más potentes para el

análisis de estas cuestiones tratadas mediante los software utilizados para así obtener

una mejor representación del estado real de la obra y de ser posible realizarlo en

tercera dimensión.

6. Continuar los trabajos desarrollados en esta investigación en futuras obras no solo con

alcance territorial sino nacional.

90

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LÁZARO G., P. & SÁNCHEZ, M. (1989d) Control de Deformaciones Verticales "Presa Alacranes". Ciclo #4. Santa Clara, Villa Clara, GEOCUBA VC-SS.

LÁZARO G., P. & SÁNCHEZ, M. (1989e) Control de Deformaciones Verticales "Presa Alacranes". Ciclo #5. Santa Clara, Villa Clara, GEOCUBA VC-SS.

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LÁZARO G., P. & SÁNCHEZ, M. (1990c) Control de Deformaciones Horizontales "Presa Alacranes". Ciclo # 4 Líneas A y C; Ciclo # 3 Líneas B. Santa Clara, Villa Clara, GEOCUBA VC-SS.

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LÁZARO G., P. & SÁNCHEZ, M. (1990e) Control de Deformaciones Verticales "Presa Alacranes". Ciclo # 6 Ramillete 1 y 2; Ciclo # 5 Líneas A, B y C. Santa Clara, Villa Clara, GEOCUBA VC-SS.

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Anexos

Anexos

Anexo 1. Listado de los tipos de vertedores para obras hidráulicas.

Tabla 1.1. Tipos de vertedores

Tipo de vertedor Características fundamentales

De descarga libre

El agua cae libremente de la cresta, pudiendo ser libre la descarga o corriendo a lo largo de una sección angosta de la cresta. Ocasionalmente la cresta se

prolonga en forma de boquilla volada para alejar el agua del paramento de la sección vertedora.

De cimacio

Tiene una sección en forma se “S”. La curva superior del cimacio se ajusta rigurosamente al perfil de la superficie inferior de una lámina de agua, para que

esta se adhiera al paramento del perfil evitando el acceso de aire a la cara inferior de la lámina. Debido a su mayor eficiencia esta es la sección que más

se usa.

Con canaleslaterales

El vertedor de control se coloca a lo largo del costado y aproximadamente paralelo a la porción superior del canal de descarga. El agua sobre la cresta cae

en un conducto angosto opuesto al vertedor, gira 90º y continúa hasta caer dentro del canal de descarga principal.

Con canal de descarga

Conduce su descarga desde el vaso hasta el nivel del río aguas abajo por un canal abierto colocado a lo largo de la ladera del emplazamiento de la presa

De conducto y túnel

Se usa un canal cerrado o túnel para la conducción de la descarga. Se pueden usar la mayor parte de las formas de estructuras de control. Tiene ventajas en los emplazamientos de los cañones angostos, con laderas escarpadas o en lugares con peligro para las canales abiertas por derrumbes de roca u otros

problemas.

De pozo o embudo

El agua entra sobre un bordo en posición horizontal, cae en un tiro vertical o inclinado y corre al cauce del río aguas abajo por un entubamiento horizontal.

Su estructura la forman un vertedor de control, una transición vertical y un canal de descarga cerrado.

De alcantarilla

Son adaptaciones especiales del vertedor de entubamiento o túnel. La abertura de su entrada está colocada verticalmente o inclinada aguas arriba o abajo y su rasante es uniforme o casi uniforme y de cualquier pendiente. El conducto debe

funcionar parcialmente lleno.

De sifón

Son sistemas de conductos cerrados con la forma de una “U” invertida colocada en tal posición que el interior de la curva del pasaje superior tenga la altura del nivel normal de almacenamiento en el vaso. Sus componentes incluyen: una entrada, una rama superior, una garganta o control, una rama inferior y una

salida. Una de sus ventajas es su operación efectiva y automática sin mecanismos ni partes móviles.

Anexos

Anexo 2. Muestras de tipos de presas

Figura 1.1 Tipo de embalse a diseñar.

Tres GargantasLa presa de las Tres Gargantas está situada en el curso del río Yang-Tse en China y es la planta hidroeléctrica y de control de inundaciones más grande del mundo.

La presa se levanta a orillas de la ciudad Yichang, en la provincia de Hubei, en el centro de China. El futuro embalse llevará el nombre de Sandouping, y podrá almacenar

Anexo 2. (Continuación)

Anexos

39.000 millones de m³. Contará con 32 turbinas de 700 MW cada una,14 instaladas en el lado norte de la presa, 12 en el lado sur de la presa y seis más subterráneas totalizando una potencia de 22,5 giga vatios (GW), generando en conjunto una energía eléctrica de unos 100 TWh al año. Si bien desde 2002 ya está generando electricidad, esta prevista su finalización para el año 2009

Presa Hoover es una presa de hormigón de arco-gravedad, ubicada en el curso del río Colorado

Embalse Alacranes.Presa de tierra (Cuba)

Embalse Guri, de concreto -gravedad

Anexos


Anexos

Anexo 3. Patologías en la cortina de tierra

Sifonamiento: Se produce cuando una fuga de agua concentra y erosiona el suelo

progresivamente hasta formar un conducto que une al embalse con el pie del talud

aguas abajo. El sifonamiento constituye la causa más frecuente de fallo catastrófico en

las presas después del desbordamiento. El mayor número de fallos por esta causa se

ha registrado en presas viejas o mal construidas y, debido a que es casi siempre

catastrófico, es difícil reconstruir su secuencia y mecanismo. (Armas Novoa, 1987).

Este fallo tiene dos posibilidades de ocurrencia, por el cimiento o por la cortina, muchos

de los requerimientos que hoy día se exigen en las presas de tierra, son medidas

concebidas para disminuir la posibilidad de sifonamiento, ejemplo de lo anterior son las

especificaciones de humedad y peso especifico seco para los suelos en contacto con

las estructuras de hormigón, que son zonas preferenciales para la ocurrencia de este

fenómeno .También las exigencias en cuanto a homogeneidad del terraplén, evitando

zonas potenciales de flujo, todo esto junto con otros elementos han hecho que en la

practica moderna de construcción de presas, sea raro un caso de sifonamiento por el

terraplén.(Armas Novoa, 2002)

Agrietamiento: El agrietamiento se origina cuando la deformación de la cortina produce

zonas de tracción, que aparecen por asentamiento diferencial de la masa de suelo, sea

por deformación del propio cuerpo del terraplén o del terreno de cimentación.

De la misma manera las grietas resultan muy peligrosas para la cortina de tierra, pues

atraviesa la presa desde aguas arriba hasta aguas abajo, facilitando el flujo

concentrado en una zona de la cortina. Se originan por asentamientos diferenciales

entre tramos adyacentes de la cortina; por ejemplo una zona que descanse sobre el

área del cauce y otra que descanse sobre un hombro rocoso. Esta situación empeora si

el terreno en la zona del cauce está compuesto por estratos compresibles.

Las grietas más peligrosas son las que ocurren transversalmente al eje de la cortina,

pues crean una zona de concentración de flujo, son producidas generalmente por

asentamiento diferencial, de la zona de la cortina próxima a las laderas de la boquilla,

respecto a la zona central del cauce.

Anexos


Las grietas longitudinales suelen ocurrir cuando los taludes de las presas se asientan

más que su núcleo impermeable de material bien compactado y espaldones pesados de

enrocamiento. (Armas Novoa, 2002)

Deslizamientos: En los deslizamientos los factores más importantes son la gravedad,

peso y su distribución, carga y descarga, variación e intensidad de la presión de poro,

fuerza de expansión y contracción, remoción de soportes, cambios de pendientes,

alteración, saturación de agua, voladuras, sismo, actividad volcánica y disminución de la

resistencia con el tiempo. (Ruiz Vázquez y González Huesca, 2002)

Existen tres tipos de fallas por deslizamiento:

Falla durante la construcción.

Falla durante la operación.

Falla después de un vaciado rápido.

Patologías más frecuentes en la toma de agua y el aliviadero.

La eflorescencia: Es una de las patologías que ocurre en la superficie de los

elementos de hormigón, provocado por reacciones químicas de los compuestos salinos

resultantes de los procesos de fraguado.

Abrasión: Es un daño típico en aliviaderos, es superficial, producido por el arrastre de

áridos. Capitación es un patología típica de aliviaderos donde el despegue de los áridos

y aglomerantes de la superficie del hormigón debido a la succión creada por la presión

negativa en zonas aguas abajo, donde el agua circula con rapidez.

La carbonatación: de hormigón es una patología que causa la superficie del hormigón

unas grietas a lo largo de donde se encuentran las armaduras. Después, el

recubrimiento del hormigón se desprende. La carbonatación del hormigón es un

proceso químico de envejecimiento ambiental causado por la acción del dióxido de

carbono y el agua, que transforman el hidróxido de calcio en carbonato cálcico.

Anexos


Durante la carbonatación, la dureza y resistencia a compresión del hormigón aumentan

y el pH disminuye desde un valor inicial aproximado de 12 hasta llegar a 7, es decir de

alcalino a neutro. Estos fenómenos, beneficiosos para el hormigón son, sin embargo,

nocivos para las armaduras. En un hormigón con reacción alcalina se forma una capa

pasivadora de óxidos sobre la superficie de las armaduras que las protege frente a la

corrosión. Esta capa desaparece cuando el pH desciende por debajo de un valor

aproximado de 9,5.

Corrosión por lixiviación: Se desprende el hormigón o mortero, esta patología

aparece como fugas amarillo-blanquecinas en las grietas.

La lixiviación consiste en el lavado de las sustancias solubles, principalmente hidróxido

cálcico, del hormigón, factor que causa una disminución de la densidad y una

debilitación de la integridad del hormigón

Fugas en juntas: Es una patología que es típico en la toma de agua de trabajo, las

fugas en el hormigón están en lugares donde existe una discontinuidad en la colocación

del hormigón.1

La corrosión: Es un proceso que ocurre en fase acuosa, en el caso del hormigón

armado, el fenómeno tiene lugar en la solución existente en los poros interiores. El

fenómeno se observa con frecuencia en hormigones de baja calidad, elaborados con

altas relaciones agua – cemento y por consiguiente que presentan elevada porosidad,

así como en componentes estructurales afectados por humedad o ciclos de mojado.

La abrasión y desgaste: Son acciones asociadas a esfuerzos que provocan un

desgaste de la superficie expuesta del hormigón se pueden agrupar como fenómenos

de abrasión y desgaste, aunque más específicamente se considera abrasión cuando

hay una acción mecánica por arrastre de sólidos sobre la superficie. El arrastre de

sedimentos en un canal revestido, la acción de neumáticos protegidos con cadenas o

clavos para la circulación sobre superficies congeladas, el transporte de sólidos en una

1 Según el folleto titulado “Obras hidráulicas, las patologías en estructuras hidráulicas de la

firma Drizoro S A del año 1997.

Anexos


tubería de conducción y la situación de un vertedero de una presa son situaciones

típicas donde se produce la erosión.

Las eflorescencias: Ocurren frecuentemente en la superficie del hormigón cuando el

agua tiene posibilidad de percolar a través del material, ya sea en forma intermitente o

continua, o cuando una cara expuesta sufre el proceso de humedecimiento y mojado en

forma alternativa. Las eflorescencias consisten en el depósito de sales que son

lixiviadas fuera del hormigón, las que se cristalizan luego de la evaporación del agua

que las transportó o por la interacción con el dióxido de carbono de la atmósfera. Entre

las sales típicas podemos citar los sulfatos y carbonatos de sodio, potasio o calcio.

El asentamiento: Es una de las causas más frecuentes que generan la aparición de

fisuras y daños en las estructuras de hormigón armado, están los denominados

asentamientos diferenciales. Los asentamientos diferenciales pueden ser provocados

por distintas causas, algunas de las cuales, las más importantes, se mencionan a

continuación:2

Errores en el proyecto o en la ejecución de las fundaciones.

Cargas no previstas en el proyecto original.

Deformación excesiva del suelo de fundación, no considerado en el proyecto por

desconocimiento o información errónea de sus características.

Deformación excesiva localizada del suelo por la aparición de alteraciones no

previstas (inundación, vibración, erosión, socavación, etc.).

Fundación sobre pozos mal cegados, rellenos mal ejecutados, alteraciones del

terreno desconocidas, etc.

Fundación de una misma estructura sobre distintos tipos de suelo y/o utilización de

distintos sistemas de cimentación o niveles de la fundación.

Alteraciones por construcciones vecinas.

Existencia de suelos expansivos.

Inyección del terreno en zonas próximas, que genere un importante empuje vertical

sobre la superficie de apoyo de la fundación (ascensos de los apoyos).

2 Según Manual de Rehabilitación 2003.

Anexos

Anexo 4. Definiciones referentes a mantenimiento y reconstrucción

Pronóstico

Según el diccionario de la Real Academia: Juicio que el especialista forma acerca del

curso, duración y terminación de un proceso patológico.

Según Babe (1989) El pronóstico es predecir la probable evolución de la anomalía,

prevenir que puede suceder. El concepto de pronóstico, asociado siempre al

diagnóstico, lleva implícito la idea de prevención.

Los dos definiciones son ciertas, pero a los efectos para éste trabajo se considera la

dada por Babe.

Deterioro

Según la Norma Cubana NC-52-55 (1982): Desgaste, daño o rotura de la construcción

o de sus elementos componentes que impiden su utilización o le ocasiona deficiencias

constructivas, funcionales o estéticas.

Inspección

Según Norma Cubana NC-52-55 (1982): Revisión de Carácter técnico que se realiza en

las construcciones de arquitectura e ingeniería para detectar el estado de los diferentes

elementos componentes e indicar los trabajos a realizar para que cumplan su función.

Inspección parcial

Según Norma NC-52-55 (1982): Inspección que abarca uno o varios elementos

componentes de la construcción.

Inspección intensiva

Según Norma Cubana NC-52-55 (1982): Inspección que se realiza mediante

instrumentos y que puede requerir pruebas de carga, estudio de proyecto, cálculos

estructurales u otros análisis más detallados.

Inspección ordinaria

Según Norma Cubana NC-52-55 (1982): Inspección que se realiza periódicamente se

acuerdo a una planificación.

Anexos


Inspección Extraordinaria

Según Norma Cubana NC-52-55 (1982): Inspección que se efectúa por indicación de

una inspección ordinaria o por situaciones especiales como catástrofes, accidentes u

otros.

Mantenimiento

Según Norma Cubana NC-52-55 (1982): Trabajo periódico de carácter preventivo y

planificado, que se realiza en las construcciones durante su explotación, para conservar

las propiedades y capacidades funcionales que son afectadas por el uso, agentes

atmosféricos o su combinación, sin que sus elementos componentes fundamentales

sean objeto de modificación o sustitución total o parcial. Su planificación se basa en la

durabilidad de sus elementos componentes.

Según Menéndez (1986): El mantenimiento es el conjunto de trabajos sencillos que se

realizan para evitar la degradación de una construcción, empezando por la limpieza.

Según Babe (1989): Trabajos que deben realizarse de forma cíclica para la atención de

los equipos y de los elementos componentes de las construcciones con el fin de

subsanar sus deficiencias, y mantener de manera eficaz los servicios que brinden, con

énfasis especial de aquellas partes que por su uso continuado o por su ubicación se

encuentran más expuestos al deterioro.

Según Gerardo Ruiz y Eduardo Hernández (2001): Trabajos de carácter periódico,

sistemático y planificado, que deben realizarse a lo largo de la vida útil de la edificación

para conservar sus características, propiedades y funcionamiento, sin que impliquen la

modificación o sustitución de componentes fundamentales.

Según Babe en el año 1989 existen varios tipos de mantenimiento, entre ellos:

Mantenimiento Preventivo, mantenimiento correctivo, mantenimiento de obras nuevas,

mantenimientos de obras viejas existentes, mantenimiento privado y mantenimiento

estatal. Se expondrán las definiciones de los dos primeros tipos referidos en este

trabajo.

Anexos


Mantenimiento preventivo

El que debe ser previsto por el profesional al realizar el proyecto de una obra.

Mantenimiento correctivo

El que se planifica ejecutar en las construcciones para evitar el máximo de deterioros.

Reparación

Según Norma Cubana NC-52-55 (1982): Trabajo que se realiza en las construcciones

durante su explotación para arreglar o sustituir partes o elementos componentes.

Según su alcance puede ser parcial o total: según su carácter, normal o urgente.

Según Menéndez 1986: Componer, arreglar una construcción que ha sufrido deterioro

sin afectar sus elementos fundamentales.

Según Babe 1989: Trabajos que se realizan para arreglar los desperfectos sufridos por

elementos componentes de una construcción, que puede incluir en ciertos casos, la

sustitución de elementos no estructurales o de equipos, que por su uso continuado, por

su ubicación o falta de mantenimiento se han deteriorado a tal extremo que se hace

imprescindible su sustitución.

Según Alfonso del Rio Bueno Consiste en la restitución de los niveles originales de

seguridad de la estructura cuando estos se han reducido considerablemente por alguna

causa. Consecuentemente, implica la existencia previa de un daño de cierta entidad.

La definición más acertada, a juicio de la autora de este trabajo es la de Babe.

Reconstrucción

Según Norma Cubana NC-52-55 (1982): Trabajo que se realiza a las construcciones

para sustituir o construir de nuevo sus elementos componentes total o parcialmente,

con el fin de devolverle su valor de uso y prolongarle su vida útil. Término permisible:

revalorización.”

Según Menéndez (1986): Arreglar una construcción que ha sufrido deterioro en sus

elementos fundamentales.

Anexos


Según Babe en el año 1989: Sustitución de los elementos que no admiten reparación o

reformación lo que puede lógicamente conducir a la necesidad de construir de nuevo

entrepisos, cubiertas, pilares, vigas, muros, cimientos, etc.

A juicio de la autora de este trabajo la definición más completa es la dada por la Norma

Cubana.

Rehabilitación

Según norma Cubana NC-52-55 (1982): Acción dirigida a devolver en un edificio

declarado inhabitable o inservible, las condiciones necesarias para su uso original u otro

nuevo.

En este trabajo se utilizará la definición dada por la Norma Cubana, sabiendo que

existen otras consideraciones en la bibliografía internacional.

Restauración

Según Norma Cubana NC-52-55 (1982): Trabajo que se realiza en las construcciones

de valor histórico, arquitectónico o ambiental para preservar o restablecer sus

características originales con estrictos requisitos de autenticidad.

Según Carta de Venecia la restauración es una operación que debe tener carácter

excepcional. Tiene como fin conservar y revelar los valores estéticos e históricos de un

monumento y se fundamenta en el respeto hacia los elementos antiguos y las partes

auténticas. Se detiene en el momento en que comienza la hipótesis; más allá, todo

complemento reconocido como indispensables se destacará de la composición

arquitectónica y llevará el sello de nuestro tiempo. La restauración estará siempre

precedida y acompañada por un estudio arqueológico e histórico del monumento.

La definición más adecuada, a juicio de la autora de este trabajo es por la Norma

Cubana.

Anexos


Vida Útil

Según un Folleto de Patología y Terapéutica por el profesor Olivera (2004): La vida útil

de una edificación o construcción es el máximo período de tiempo o edad que puede

alcanzar manteniendo un estado técnico y una capacidad de respuesta ante las

exigencias de uso, sin sobrepasar los niveles de confort y seguridad que se hayan

establecido.

La Norma Cubana NC-52-55 (1982): Define el tiempo de vida útil como: “Tiempo

durante el cual la construcción o sus elementos componentes, mantiene dentro de

niveles aceptables sus condiciones técnicas, higiénico-ambientales, funcionales y de

seguridad, sometida a una explotación normal y recibiendo trabajos periódicos de

conservación”.

Según Cruz Alonso (2001): período en el que la estructura conserva los requisitos del

proyecto sobre seguridad, funcionalidad y estética, sin costos inesperados de

mantenimiento.

La definición más completa es si a la dada por Olivera se le agregara que dicho tiempo

depende de la durabilidad de los materiales empleados, de la calidad de ejecución de

los trabajos y de su correcta explotación, teniendo presente las actividades de

mantenimiento.

Proceso Patológico

El concepto de Proceso Patológico es la secuencia que comprende el origen y las

causas del estado de lesión o desperfecto de la edificación, la evolución del proceso de

deterioro, sus síntomas y finalmente las manifestaciones de deterioro que se detectan u

observan en las construcciones afectadas.

Concluyentemente, el Estudio Patológico comprenderá el estudio de las etapas o

secuencias del proceso patológico, el cual parte del análisis del estado patológico o los

síntomas y resultados de las lesiones, hasta llegar a sus orígenes o causas, con el

propósito de definir su tratamiento (algunos autores lo entienden como “la terapéutica”)

y elaborar conclusiones sobre su posible evitación.

Anexos


Los métodos de análisis constituyen un instrumento básico para la conservación de

edificios ya que, intentar frenar o corregir el deterioro de las construcciones sin un

diagnóstico de sus problemas o un pronóstico sobre su evolución, es un riesgo con un

alto porcentaje de probabilidades de fracaso. La inspección en los casos de

reparaciones parciales o de urgencia se basa en un método de análisis y de unos

conceptos bien asentados. Toda acción de conservación debe contemplar el conjunto

de factores que actúan sobre la vida útil de la construcción y nada debe ser improvisado

o abordado de forma superficial o rutinaria.

La utilización de una metodología adecuada para el diagnóstico de los daños presentes

en una estructura, así como su evolución y pronóstico de desarrollo deberá repercutir

directamente en una mejor calidad de los proyectos de rehabilitación a realizar, así

como en la obtención de mejores resultados desde el punto de vista científico, técnico y

económico en las investigaciones que es necesario llevar a cabo para estos fines.

El proceso patológico en una parte o el todo de la estructura presupone que hay unas

causas que constituyen el origen, que a su vez provocarán las patologías que se

manifiestan a través de un síndrome (cuadro clínico). Éstas, antes y después de

manifestarse, se han desarrollado, en mayor o menor medida y con mayor o menor

correspondencia con el origen, lo que constituye un reto para el correcto diagnóstico y

la terapéutica que las debe atender y eliminar. Este es el momento en que se retoma el

camino a la inversa al que siguió el proceso patológico para investigar y llegar a las

causas y origen de la lesión. Esto sería técnico y económicamente sustentable, pues de

lo contrario se puede propiciar el origen de lo que se conoce como patologías.

Se puede concluir que cuando hablamos de patología en un material, elemento

componente o estructuras en general, debemos entender que el término lleva implícito

el concepto de sistema, es decir, que implica aceptar y estudiar un proceso: el proceso

patológico.

El proceso patológico fue investigado por Odalys en el año 2004, el trabajo tiene como

objetivo su solución, que implica la reparación de la unidad constructiva dañada para

devolverle su misión inicial.

Anexos


Podemos utilizar la misma forma de evaluación para el proceso patológico en las

estructuras hidráulicas que incluye cuatro momentos esenciales que son:

Diagnóstico

Pronóstico

Tratamiento

Prevención.

El término Diagnóstico significa, la capacidad de reconocer, el conocimiento de la

enfermedad, por lo tanto diagnosticar supone conocer las anomalías y discernirlas.

Pronóstico es un término que significa previsión de lo que ha de ocurrir, o sea este

concepto lleva implícito la idea de previsión o evolución.

Un buen pronóstico, solo es posible sobre la base de un adecuado diagnóstico y de un

conocimiento integrador de la construcción, pues esta es el soporte físico de la

patología e incide en mayor o menor grado en su evolución.

El Tratamiento es el juicio mediante el cual, se seleccionan las vías o procedimientos

más adecuados para eliminar o mejorar la anomalía. La selección de un tratamiento

adecuado, debe basarse, por supuesto, en un diagnóstico y pronóstico bien

fundamentado, teniendo además en cuenta las condiciones específicas del contexto en

que se aplicará, o sea el aspecto económico y el desarrollo tecnológico existente o

disponible.

La Prevención es una propuesta de las medidas preventivas, incluyendo las acciones

de mantenimiento, requeridas para la evitación del estado patológico.

Anexos

Anexo 5. Característica de los suelos

No Descripción C(KN/m2)

Θ( º )

Γ(KN/m3)

E(KN/m2)

Coefde

Poison

Kf ( m/ día )

Obser

1. Arena arcillosa de coloraciones pardo amarillento, con algunas manchas blancas de CaCO3 y granos angulosos se clasifica como SC(arena arcillosa con gravas)

8 17Γhum=18.5

Γsat= 19.549800 0.28 0.008

Suelo utilizado en espaldones.

2. Arcilla muy plástica ligeramente arenosa de coloración pardo negruzca de constitución solida, húmeda, se clasifica en CH (arcilla inorgánica de alta plasticidad).

16 12Γhum=18.20

Γsat= 18.5413100 0.35 0.003

Suelo utilizado en el núcleo

3. Arcilla de alta plasticidad, algo arenosa con poco contenido de gravas, de consistencia semidura, color pardo oscuro con CaCO3 se clasifica como CH.

18 16Γhum=19.3

Γsat= 19.320000

.0.35 0.0015

Suelo en la base

4. Arena arcillosa, algo margosa de color pardo amarillento algo plástico con intercalaciones arenosas y granos finos de CaCO3 y gravas, se clasifica en SC (arena arcillosa con gravas).

38 13 18.920000 0.35 0.3 Cimentación

5. Caliza arcillosa de color blanco lechoso a gris, de consistencia dura, compacta, rellena con lentes de calcita, estratificada, muy agrietada (rocas madres)

35 21 18.6 50000 0.35 0.15Cimentación

Anexos

Anexo 6. Resumen geotécnico de los suelos

RESUMEN GEOTÉCNICO SUELOS

PARÁMETROCapa A Capa B

Mín. Máx. Prom Mín. Máx. PromGravas G % 6 68 25 1 9 3Arena A % 17 65 41 19 46 34Limo L % 2 41 18 16 37 27Arcilla A % 8 26 16 24 57 36Límite líquido LL % 29.9 51.8 41.1 50.0 93.5 67.7Límite plástico LP % 15.3 26.4 20.6 14.9 29.6 20.1Índice plástico IP % 7.4 33.8 20.5 33.4 63.9 46.7Humedad Natural �n % 17.9 31.6 24.3 27.9 40.1 31.6

Índice de consistencia Ic - - - 0.18 - - 0.24Densidad húmeda �f g/cm3 1.800 2.020 1.850 1.700 1.960 1.820Densidad seca �d g/cm3 1.370 1.650 1.520 1.270 1.530 1.380Peso específico relativo Gs - 2.59 2.75 2.68 2.60 2.80 2.69Relación de vacíos e - 0.565 0.971 0.763 0.738 1.176 0.917Saturación s % 78 94 85 78 100 92Humedad óptima �o % 15.6 20.7 17.8 22.4 28.0 25.4Densidad húmeda máxima �fmáx g/cm3 1.620 1.770 1.710 1.430 1.570 1.860Densidad seca máxima �dmax g/cm3 1.930 2.060 2.020 1.820 1.923 1.490Relación de vacíos mínima e - 0.463 0.677 0.567 - - 0.805Saturación máxima Smáx % 78 92 84 - - 85Ángulo de fricción interna � 0 19 25 17 4 19 12

C Kg/cm2 0.10 0.30 0.08 0.07 0.68 0.16

Módulo de deformación E Kg/cm3 57 140 98 63 213 131Coef. variación Volumétrica mv Cm2/kg 0.0136 0.0340 0.0238 0.0088 0.0319 0.0189Coef. de consolidación Cv Cm/seg 0.0050 0.0510 0.0280 0.0036 0.0553 0.0246

CLASIFICACIÓN SC CH

Anexos

Anexo 7. Registro histórico de los problemas detectados a la Presa Alacranes

El siguiente acápite lo desarrollaremos tomando como base el informe entregado por la

empresa de aprovechamiento de nuestra provincia, donde aparecen las incidencias

ocurridas en la cortina de la presa de una forma resumida

Cortina Principal

Observaciones visuales

Fecha de Ocurrencia: Se hace referencia desde Sept. de 1973

Procesos de filtración que se manifiestan en toda la longitud de la cortina en la zona

comprendida entre el pie talud y el cauce del río aguas abajo. Longitudinalmente

comprende toda la cortina. Las filtraciones se manifestaban en zonas pantanosas y

lagunas en depresiones del suelo que ocuparon antiguos préstamos toda esta zona fue

desde entonces objeto de trabajos de drenaje y construcción de un sistema de obras

hidrométricas para la medición sistemática de los caudales que abarcaron inicialmente

10 puntos entre las estaciones 2+00 y 13+00. Hay que significar que los mayores

gastos medidos corresponden a la obra hidrométrica No. 3 (vertedor triangular) donde

se registraron inicialmente gastos de hasta 25 l/s. De estos gastos la mayor cuantía se

manifestaba a partir de grifones en la zanja de drenaje al pie talud entre las estaciones

4+00 y 5+00 lugar donde aflora una formación geológica de alto coeficiente de filtración.

Las filtraciones con el paso del tiempo han manifestado una tendencia a su disminución

y el gasto máximo actual para el embalse lleno es de 15-17 l/s en esta obra

hidrométrica.

El resto de las obras hidrométricas vinculadas al drenaje de las lagunas, prisma de

drenaje y afloramientos puntuales en zonas más alejadas de la cortina (50-100 m del

pie el talud) no superan los 2 l/s con el embalse lleno. Estas obras son del tipo

volumétrico. Actualmente se mantienen 6 obras hidrométricas pues algunas filtraciones

iniciales han desaparecido (1, 8, 9 y 10). Sólo la filtración No.3 tiene correlación entre la

carga del embalse y los gastos observados.

Fecha de Ocurrencia: Se hace referencia en Junio de 1974

Anexos


Surgimiento de zona de humedad a la altura de la berma entre las zonas 11+00 y

12+00 una vez que el embalse alcanzó el NAN. Esta zona se caracteriza por alto grado

de saturación con encharcamiento en algunos puntos aunque no se ha apreciado

superficialmente surgencias concentradas, posteriormente se construyó drenaje al pie

de talud no apreciándose flujo para su medición. Por la fecha en que se hace referencia

a la veta húmeda se infiere que desde los primeros llenados de la Presa se ha estado

manifestando en la misma zona y con características similares siempre que el embalse

alcanza o sobrepasa el NAN así como su desaparición para niveles próximos a la cota

32.00 en su movimiento descendente. La presencia de la humedad se intensifica para

períodos relativamente prolongado con niveles por encima del NAN.

En Mayo de 1974 se produjo deslizamiento de la capa vegetal en el talud seco desde la

corona hasta la berma aproximadamente en la estación 12+00 y en una longitud de 8-

10m de ancho. Esto ocurre después de varios días de intensas lluvias.

Entre las estaciones 14+00 y 16+00 también se observaron desde esta fecha zona de

humedad al pie y parte inferior del talud seco desde la toma de agua hasta 4-5 m de

altura en el estribo derecho. Las mismas han continuado manifestándose siempre que

el embalse permanece con niveles superiores al NAN durante algún tiempo,

inicialmente se midió esta filtración pero los gastos observados fueron inferiores a 1 l/s.

Fecha de Ocurrencia: Período seco del 2005

El período Abril-Mayo de 2005 es coincidente con los niveles más bajos del embalse en

su historia (cota 25.55 m) y con la ocurrencia de un agrietamiento en el talud seco de la

cortina principal que se va a manifestar entre las est. 10+20 y 11+85 y alcanza

verticalmente alturas entre 2 y 6 m sobre la berma (cota 28.00 m).

Esta grieta en forma de media luna se apreció de forma continuada en toda su

trayectoria y en calicata realizada en un punto donde su abertura alcanzaba 150 mm, se

pudo confirmar su presencia en una profundidad de 2 m y aún continuaba. Las mismas

fueron reparadas en la primera decena de junio y un mes después se produjo el llenado

total del embalse con las lluvias del huracán “Dennis” sin que ocurriera otra incidencia.

Anexos


Piezometría

En 1987 fue instalada una red piezométrica compuesta por 51 piezómetros en 16

secciones transversales y 3 líneas longitudinales que abarcan corona, berma y pie

talud. Esta red tiene 7 piezómetros averiados que están fuera de servicio. Las

observaciones se realizan cada 5 días.

Las calas piezométricas fueron objeto de investigación Ingeniero-Geológicas antes de

instalarse el piezómetro así como les fue calculada teóricamente la curva piezométrica

de cada sección.

Las filtraciones en sentido general ocurren desde fecha muy temprana en la presa,

prácticamente desde los inicios de su explotación, los compañeros de la empresa de

aprovechamiento separan en su resumen los sucesos y las formas en que aparecen de

forma creemos acertada.

Las primeras tienen lugar a través de toda la cortina, son las mayores y se les llama

“procesos de filtración”. Los mayores gastos ocurrían entre las estaciones 4+00 y 5+00,

tenían lugar en la base a través de una roca caliza. Creemos que realmente es así, y el

origen principal de este tipo de manifestación tiene lugar por la base, específicamente a

través de la caliza agrietada que hasta alrededor de la estación 6+00 se coloca directa

o muy cerca de la superficie del terreno natural, sobre la cual no se tomó medida

alguna, con permeabilidades detectadas por la investigación anterior mayores de 1.0

m/d, incluso llegaron a 4.0 m/d. En el resto de la cortina los materiales que pudieran

ocasionar filtraciones altas aparecen a profundidades mayores, están cubiertas por

materiales de baja permeabilidad que han servido como ”delantal” natural, por lo que las

manifestaciones son mucho menor. En sentido general estas filtraciones han disminuido

y no han traído mayores consecuencias a la estabilidad.

Anexos


En la margen izquierda de la cortina, en el talud seco, entre los estacionados 10+20 y

11+85, a una altura de 2.0 a 6.0 m sobre la berma (aproximadamente sobre la cota

28.00), se presentan grietas visibles que mantienen su continuidad en el tramo

mencionado, alcanzan hasta 150 mm de separación y la profundidad detectada en

algunos puntos es de 2.00 m, pero con desarrollo en profundidad no precisado; la cota

del nivel de las aguas es 25.66 m en esta fecha. A continuación mostramos algunas

imágenes del talud seco de la cortina.

Pueden notarse zonas que ya se han reparado de forma superficial para evitar la

acumulación de agua en las grietas. Al fondo aparecen zonas con grietas expuestas

que detallaremos a continuación en las siguientes fotos.

Anexos

Anexo 8. Tablas de los valores del factor de seguridad para los taludes mojados y secos con sus respectivos radios de fallas

Tabla 3.4. Radios de falla para la cortina del embalse.

Talud

Sección de proyecto Sección Real

Bishop Janbu Ordinary Bishop Janbu Ordinary

Mojado 45.77 25.49 25.53 34.52 22.34 30.043

Seco 39.83 37.52 37.34 49.59 46.47 41.03

Tabla 3.5. Factor de seguridad obtenido según los métodos utilizados en cada

caso de análisis.

Talud

Sección de proyecto Sección Real

Bishop Janbu Ordinary Bishop Janbu Ordinary

Mojado 1.550 1.388 1.421 1.716 1.451 1.479

Seco 1.219 1.089 1.11 1.205 1.106 1.129

Anexos

Patología: Abrasión y desgaste en la

rápida del aliviadero

Descripción: Desgaste de la

superficie de hormigón, creando

zonas con cambio de coloración

(blancas), debido a la perdida de la

capa de cemento quedando los áridos

al descubierto, zonas pulidas, que

pueden agravarse con el paso del

tiempo.

Diagnóstico: Abrasión superficial

producida por el agua en movimiento

que crea succión y arrastre de áridos.

Solución:

1. Preparar y limpiar cuidadosamente

las superficies.

Preparación del sustrato.

Procedimiento: Utilizando el disco de

desbaste.

Procedimiento de limpieza. Solventes

volátiles.

Material a utilizar: Mortero polímero

de base cemento.

Aplicar revestimiento de protección.

Pinturas impermeabilizantes.

Patología: Abrasión y desgaste en la

cresta del cimacio en el aliviadero.

Descripción: Pérdida del

recubrimiento, arrancamiento,

abrasión y desgaste de esta superficie

debido al movimiento del agua por

encima de la cresta.

Diagnóstico: Debido los movimientos

de las aguas por el llenado del

embalse lo que produce empujes,

unido a los efectos del vertimiento,

además se suman los efectos de

cambios de temperaturas lo que

permite la caída del recubrimiento en

dicho lugar.

Solución:

1. Preparar y limpiar

cuidadosamente las superficies

2. Reconstruir la sección con

lechada de cemento.

Ante la presencia de agentes

agresivos, efectuar la corrección con

primer rico en zinc y colocar una

barrera de resina epóxica entre el

concreto contaminado y el mortero de

reparación.

Patología: Retracción del hormigón

por temperatura en el paramento

vertical del aliviadero

Descripción: Grietas horizontales

provocadas por la retracción del

hormigón causadas por la no

presencia de juntas de dilatación en la

construcción del aliviadero.

Diagnóstico: Cuando se funde un

volumen muy grande de hormigón es

necesario usar refrigeración en su

fabricación, para cuando fragüe el

hormigón baje la temperatura y no se

produzca esta retracción por

diferencias de temperatura, en este

proceso se le añade hielo.

Solución:

1. Verificar si las grietas continúan

propagándose de confirmarse esto:

a. Preparación del sustrato.


desbaste.


volátiles.

b. Material a utilizar: Mortero

polímero de base cemento.

Aplicar revestimiento de protección


las superficies.



desbaste.


volátiles.


de base cemento y lechada de cal.


Patología: Presencia de vegetación y

microorganismos en la rápida del

aliviadero.

Descripción: Presencia de

organismos vivos debido a las grietas

y a la humedad que están presentes

en la rápida del cimacio y en el canal

de salida.

Diagnóstico: Debido a las grietas

existentes en la rápida y en el canal

de salida del cimacio provocado por la

retracción del hormigón favorecido por

la carencia de juntas de dilatación

afloran estos microorganismos.

Solución:

1. Eliminar la vegetación existente

utilizando herbicidas que no dañen al

hormigón.

2. Sellado de las grietas




Patología: Retracción del hormigón

por temperatura o tecnología y

ejecución del hormigón en el aletón

derecho del aliviadero.

Descripción: Presencia de grietas

horizontales y longitudinales en el

aletón derecho del aliviadero que

abarcan casi toda el área del muro

con una longitud de hasta 2.5m y

espesor máximo de

aproximadamente 2.0cm.

Diagnóstico: Estas grietas pueden

haber sido provocadas por un vertido

inadecuado del hormigón, ejecución

inadecuado de las juntas de trabajo,

mala selección de los áridos, relación

agua/cemento y principalmente la

presencia de altas temperaturas en el

fraguado del hormigón.

Solución:

1. Demolición y reconstrucción del

aletón.

Patología: Disgregación o problemas de

ejecución en el aletón derecho del

aliviadero.

Descripción: Presencia de

coqueras en el hormigón que

pueden provocar la corrosión de la

armadura de acero por el paso del

agua y del dióxido de carbono al

interior del muro.

Diagnóstico: Mala ejecución del

hormigón; compactación, colocación, etc.,

procesos químicos.

Solución:

1. Preparar y limpiar

cuidadosamente las superficies.


Procedimiento: Utilizando el disco

de desbaste y espátula.

Procedimiento de limpieza.

Raspado de superficie.

Material a utilizar: Mortero

polímero de base cemento.

Aplicar revestimiento de

protección.

Patología: Fallo estructural de las

columnas en la Toma de agua #1.

Descripción: Por problemas de

agrietamientos en las columnas hubo

que reforzarlas con una jaula de

acero.


sistema de izaje de la compuerta.

Solución:

1. Monitoreo y control de las

deformaciones.

Incluir mediciones de control de

deformaciones en la base y tope

de la estructura de control de

apertura y cierre de la Toma de

Agua #1.

Procedimiento: Control de

deformaciones geodésico.

2. Mantener la observación del

comportamiento del elemento,

no realizar operaciones y

maniobras indebidas, seguir un

procedimiento de exploración

de este mecanismo de izaje.

Patología: Corrosión del acero de

refuerzo en la columna de la Toma de

Agua #2.

Descripción: Pérdida del

recubrimiento en la superficie de la

pila quedando expuestos los aceros a

la intemperie con oxido y daños

superficiales de los elementos

metálicos expuestos provocando la

corrosión de los mismos.

Diagnóstico: Problemas de maniobra

debido a la mala tecnología y

ejecución de los trabajos.

Solución:

1. Determinar el grado de afectación

de la corrosión.


las superficies.


Procedimiento: Utilizando cepillo

metálico y cincel se retira capa de

óxido y hormigón afectado.

Material a utilizar: Base antioxidante e

impermeable, mortero polímero de

base cemento.


Patología: Disgregación o problemas

de ejecución en la columna de la toma

de agua #2.

Descripción: Presencia de coqueras

en el hormigón que pueden provocar

la corrosión de la armadura de acero

por el paso del agua y del dióxido de

carbono al interior del muro.


hormigón; compactación, colocación,

etc. procesos químicos.

Solución:


las superficies.





Patología: Filtraciones en el pie del talud

aguas debajo de la cortina principal.Descripción: Procesos de

filtración que se manifiestan en

toda la longitud de la cortina en

la zona comprendida entre el pie

talud y el cauce del río aguas

abajo. Longitudinalmente

comprende toda la cortina.

Diagnóstico: el origen principal de este tipo

de manifestación tiene lugar por la base,

específicamente a través de la caliza

agrietada que hasta alrededor de la

estación 6+00 se coloca directa o muy

cerca de la superficie del terreno natural,

sobre la cual no se tomó medida alguna,

con permeabilidades detectadas por la

investigación anterior mayores de 1.0 m/d,

incluso llegaron a 4.0 m/d.

Solución:

1. Limpieza y mantenimiento del

encause de las filtraciones.

2. Control riguroso de los

caudales de filtración, ante

incrementos sustanciales

proceder a inyecciones de

cemento en la base y cortina de

la presa.

3. Construcción de drenajes con

materiales apropiados para evitar

erosión y arrastre de suelo desde

la cortina.

Patología: Filtraciones en el talud aguas

abajo.Descripción: Entre las estaciones

14+00 y 16+00 se observaron

zonas de humedad en la parte

inferior del talud seco desde la

toma de agua hasta 4-5 m de

altura en el estribo derecho. Las

mismas han continuado

manifestándose siempre que el

embalse permanece con niveles

superiores al NAN durante algún

tiempo.

Diagnóstico: Estas filtraciones tienen

lugar a través de la roca caliza que esta

agrietada en la base, la cual fue colocada

directa o muy cerca del terreno natural,

sobre lo cual no se tomo medidas con las

permeabilidades detectadas.

Solución:

1. Limpieza y mantenimiento del

encause de las filtraciones.

2. Mantener estricto control sobre

las filtraciones en periodos de

lluvias prolongadas.

3. Construcción de drenajes con

materiales apropiados para evitar

erosión y arrastre de suelo desde

la cortina.

Patología: Piezómetros averiados que no

funcionan actualmente en la cortina

principal.

Descripción: Esta red tiene 7

piezómetros averiados que están

fuera de servicio actualmente por

falta de mantenimiento.

Diagnóstico: Problemas de mantenimiento

o de ejecución

Solución:

1. Raspar óxido y aplicar pintura

anticorrosiva.


Procedimiento: Utilizando lija

para fina y espátula.

Aplicar pintura.

2. Ejecución de un nuevo

proyecto de control técnico,

reconstrucción de los

piezómetros.

Patología: Agrietamientos en la corona y

pie del talud aguas abajo en la cortina

principal.

Descripción: Agrietamiento en

el talud seco de la cortina

principal que se va a manifestar

entre las Est. 10+20 y 11+85 y

alcanza verticalmente alturas

entre 2 y 6 m sobre la berma

(cota 28,00 m).

Diagnóstico: El período de Abril a Mayo de

2005 es coincidente con los niveles más

bajos del embalse en su historia (cota 25,55

m), debido al largo periodo de sequía lo que

provoco que en la corona y en el talud

aguas abajo entre las estaciones 10+20 y la

11+85 surgieran algunas grietas

horizontales profundas que en la actualidad

persisten.

Solución:

1. Reconstrucción, relleno y

sellado de todas las grietas y

fisuras en el terraplén.

2. Realizar estudios de

factibilidad para: el sellado de las

grietas que afloran mediante la

inyección de sustancias poco

solubles en agua .

Patología: Deterioro de la protección

con rajón del talud mojado en la

cortina principal.

Descripción: Roca reblandecida por

el efecto de los agentes

meteorizantes del agua o ciclos de

humedecimiento y secado, por el

efecto de las temperaturas y efecto

mecánico por la erosión de las olas.

Diagnóstico: Meteorización de la

roca por la baja calidad y no ser una

roca idónea para esa protección

Solución:

1. Protección de roca dura colocada

a volteo que resista con eficiencia el

embate de las olas.

A) La recomendación para el rajón

estará entre 0.5 y 1 m de diámetro,

de roca resistente a la

meteorización y de densidad

superior a los 20 kn/m³.

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Universidad Central “Marta Abreu” Las Villas Facultad de